Влияние формы стержня ротора асинхронного тягового двигателя на тепловое состояние обмоток

Тихонов Филипп Владимирович,

аспирант Московского государственного университета путей сообщения,

инженер.

В Программе обновления эксплуатационного парка подвижного состава в 2008-2012 годах, принятой в 2008 году на заседании Научно-технического совета ОАО «РЖД», указано на необходимость создания нового подвижного состава на основе модульного принципа и унификации с электрической передачей переменного тока и асинхронным тяговым приводом [1], однако применение асинхронных тяговых электродвигателей (АТД) ставит ряд задач, связанных с расчетом машин. Известно, что электромеханические характеристики АТД во многом зависят от конструктивного исполнения отдельных его элементов. Особенностью режимов работы асинхронного двигателя на подвижном составе является пуск при нагрузке и широкий диапазон изменения нагрузки при эксплуатации. Следовательно, на пусковом режиме обмотка ротора должна обладать значительным сопротивлением; в то же время при увеличении частоты вращения ротора сопротивление его обмотки должно снижаться с целью уменьшения потерь и получения максимально возможного момента на валу.

Для увеличения сопротивления короткозамкнутой обмотки ротора в период пуска используется явление поверхностного эффекта, заключающееся в вытеснении тока в стержнях беличьей клетки к поверхности ротора [2]. Эффект данного явления может быть увеличен за счет применения в конструкции короткозамкнутой обмотки ротора стержней, форма которых способствует требуемому распределению тока по сечению проводника.

Однако кроме формы стержня, на сопротивление обмотки ротора значительно влияет его температура, значение которой во многом определяет рабочие характеристики двигателя, т.к. в процессе эксплуатации обмотки  нагреваются и увеличиваются потери в двигателе.  Использовав в конструкции АТД рациональную форму стержней ротора можно улучшить теплоотвод от них, снизить на рабочих режимах работы сопротивление обмоток, увеличит кпд двигателя и продлить срок его службы. В качестве примера влияния формы стержня на распределение температур в АТД рассмотрены два варианта стержней: трапецеидальный (рис.1,а) и прямоугольный (рис.1,б) [3].

Рис. 1. Формы стержней обмотки ротора.

Для расчетного исследования была разработана математическая модель АТД как теплового объекта. Моделирование протекания тепловых процессов в элементах машины  выполнялось по методу эквивалентных тепловых схем для электровозного асинхронного тягового электродвигателя НБ-602 номинальной мощностью 1200 кВт [4]. Расчет проводился для продолжительного режима работы АТД, характеризующегося следующими параметрами:

- фазное напряжение U_ф=620В,

- частота питающего напряжения f₁=94Гц,

- фазный ток I_ф=850А,

- температура охлаждающего воздуха Т₀=-6,5ºС.

Сравнительный анализ геометрических параметров стержней указанных типов показал, что стержень трапецеидального профиля имеет наибольшую поверхность теплоотдачи к охлаждающему воздуху S_то, превышающую поверхности теплоотдачи стержней прямоугольной формы в 3,6 раз. Величина поверхностей теплопередачи S_тп к сердечнику от стержней прямоугольной формы больше, чем  у стержней трапецеидальной формы в 1,18 раз. Как следствие, теплоотдача к охлаждающему воздуху от трапецеидального стержня при равных частотах вращения ротора и расходах охлаждающего воздуха превышает теплоотдачу от прямоугольного в 5,4 раза.  

В результате проведения математического моделирования работы АТД на указанном режиме установлено, что обмотки двигателя, в беличьей клетке которого применены стержни трапецеидальной формы, нагреваются меньше, чем в двигателе с прямоугольными стержнями (рис. 2). При этом средняя температура обмотки статора при применении стержней прямоугольной формы превышает среднюю температуру при применении стержней трапецеидальной формы  примерно на 25ºС, что, согласно правилу Монтзингера, влечет уменьшение срока службы изоляции и, как следствие, межремонтного пробега двигателя более чем в 2 раза.

Рис. 2. Средние температуры обмоток статора и ротора при работе на продолжительном режиме.

На основании проведенных исследований можно заключить, что при выборе конструктивных параметров АТД необходимо учитывать влияние формы стержней ротора на тепловое состояние его обмоток.

Литература.

1. Необходим инновационный прорыв. Программа обновления парка подвижного состава в 2008-2012 годах //Локомотив  -  2008, №5. С 2-5.

2. Сергеев П. С. и др. 2 Проектирование электрических машин. Изд. 3-е, переработ, и доп. М., «Энергия», 1969. 632 с. с илл.

3. Вольдек А.И. Электрические машины. – 3-е изд., перераб. Л.:Энергия, 1978. 832 с., ил.

4. Стендовые испытания двигателя НБ-602 и преобразовательной установки электровоза ВЛ-80А-751 при имеющейся мощности. Технический отчет №ОАБ.122.091. 1974.

Поступила в редакцию 05.09.2008 г.