CRH2型动车组牵引电动机概述

CRH2型动车组采用MT205型三相鼠笼异步电动机，每辆动车配置4台牵引电动机(并联连接)，一个基本动力单元共8台，全列共汁16台。电动机额定功率为300kW。最高转速6120r/min.最高试验速度达7040r/min。

牵引电动机由定子、转子、轴承、通风系统等组成.绝缘等级为200级。牵引电动机采用转向架架悬方式，机械通风方式冷却，平行齿轮弯曲轴万向接头方式驱动。外形如图7.62。所有牵引电动机的外形尺寸、安装尺寸和电气特性相同，各动车的牵引电动机可以实现完全互换。牵引电动机在车体转向架上的安装位置见图7.63。

同直流电动机相比，三相异步电动机有着显著的优越性能和经济指标，其持续功率大而体积小、质量轻。具体地说有以下优点：

(1)功率大、体积小、质量轻。由于没有换向器和电刷装置，可以充分利用空间，同时在高速范围内因不受换向器电动机中电抗电势及片间电压等换向条件的，可输出较大的功率，再生制动时也能输出较大的电功率，这对于发展高速运输是十分重要的。

(2)结构简单、牢固，维修工作量少。三相交流牵引电动机没有换向器和电刷装置，无需检查换向器和更换电刷，电动机的故障大大降低。特别是鼠笼形异步电动机，转子无绝缘，除去轴承的润滑外，几乎不需要经常进行维护。

(3)良好的牵引特性。由于其机械特性较硬，有自然防空转的性能，使黏着利用率提高。另外，三相交流异步电动机对瞬时过电压和过电流不敏感(不存在换向器的环火问题)，它在起动时能在更长的时间内发出更大的起动转矩。合理设计三相交流牵引电动机的调频、调压特性，可以实现大范围的平滑调速，充分满足动车组运行需要。

(4)功率因数高，谐波干扰小。其电源侧可采用四象限变流器，可以在较广范围内保持动车组电网侧的功率因数接近于1，电流波形接近于正弦波，在再生制动时也是如此，从而减小电网的谐波电流，这对改善电网的供电条件、减小通信信号干扰、改善电网电能质量和延长牵引变电站之间的距离十分有利。

CRH2型动车组采用的牵引电动机除具有上述传统异步电动机的优点外，还有以下特点：

电动机整体机械强度很高，高速运行时能承受很大的轮轨冲击力；采用耐电晕、低介质损耗的绝缘系统以适应变频电源供电；为了防止电动机轴承的电蚀，电动机前后端采用绝缘轴承；电动机转子导条采用低电阻、温度系数高的铜合金材料，保证传动系统的控制精度；为了减轻电动机自重，电动机采用轻质高强度材料；采用经过验证的轴承和轴承润滑结构，从而减少电动机的维护，保证电动机轴承更可靠工作；在输出一定功率的情况下，为减少体积，采用强迫通风和优化的通风结构，充分散热，以降低电动机的温升，提高材料的利用率；电动机的非传动轴端安装了2个速度传感器，用以给传动控制系统提供速度信号，便于逆变器控制和制动控制。

7.6.2技术参数

7.6.2.1主要技术参数

型号    MT205

方式    三相鼠笼异步电动机

极数    4极

相数    3相

额定值

输出功率    300kW

电压    2000V

电流    106A

频率    140Hz

转差率    1.4％

转速    4140r/min

效率    94.O％

功率因数    87.0％

绝缘类别    等级200

温度上升极限    200K(定子绕组；电阻法)

冷却方式    强制风冷方式(20m3/min)

动力传送方式    平行齿轮弯曲轴万向接头方式

最高使用转速    6120r/min

最高试验转速    7040r/min

轴承润滑脂    unimaxRNO.2

质量    440kg

额定参数说明：由于干线动车组载荷变化范围小，仅为整车自重的10％，所以电动机额定点的考核一般是在动车组最苛刻条件下电动机的稳定运行点。

其他相关参数见表7.27

表7.27牵引电动机参数表

图7.为牵引电动机三维视图，由图可以看到电动机与转向架、联轴节的安装部位，与通风系统连接的电动机通风口；与传动系统相连的速度传感器信号线和三相电源线。

图7.65为牵引电动机外形图，轴伸为带键的锥面，与联轴节过盈配合，悬挂上有2个φ30的通孔，电动机侧面凸台有2个M27的螺纹孔，用4个M27的螺栓与转向架连接。

7.6.3牵引电动机组成

7.6.3.1概述

牵引电动机主要由定子(包括铝托架)、转子、轴承、传感器等部件组成，以下针对牵引电动机主要部分的结构进行说明。

7.6.3.2定子

定子框采用以连接板连接铁芯的无框架结构框，设有安装转向架的凸头和安装座；定子框的两侧采用铝合金铸件(铝托架)制作部件，实现定子框整体轻量化。

(1)铝托座(非传动侧和传动侧)，其外形图如图7.66所示。

铝托架的材质以及厚板都考虑到列车高速运行状态，铝托架的定子框安装时，通过加强筋提高其强度，通过加厚及加强筋的加强提高了铝托架的框架安装部的强度。

非传动侧的铝托架，处于采用强制风冷方式的需要，在托架上部设置风道，在托架端面安装了转速检侧器外壳。另外，在传动侧，上部安装了端子壳。

安装时，用8个M12的螺栓将铝托座固定在机座上，为了防止铁和铝热膨胀上的差异而产生的偏差，采用了双重配合方式。

(2)定子铁芯

定子铁芯采用硅钢片和SPCC(端板)叠压而成，外形图如图7.67，定子铁芯上设置的切槽为后退式切槽，增加通风空间，提高冷却效果。

(3)定子线圈

定子线圈由u相绕组，V相绕组，W相绕组，各相由3个线圈串联而成。

由于逆变器运行时的高频电流引起的集肤效应，会造成交流阻抗变大，温度上升过高。为了防止此问题，增加线圈的并列根数，并将线圈的导体截面形状做成扁平状。

另外，线圈间的连接全部采用银焊，并用绝缘材料进行绝缘后，再用无溶剂漆进行真空浸渍处理。

(4)引出线

在传动端的铝托座上部接线盒，其内连接有引出线，并使用接头用银焊焊接在三相线圈的引出连线上。电动机外部设置橡胶衬套，可以将三相电源引出线牢牢固定，然后再用绝缘材料进行处理。引出线绝缘部分是用蚂蟥钉固定的，当列车在通过道砟受冲击或其他原因使得铝托架产生断裂时，具有不用分离引出线连接部位就可以直接更换。

(5)由于采用强迫通风冷却方式，电动机非传动端的铝托座上部设置风道。另外，为了

固定速度传感器，铝托座端面上设置5个M10的螺栓固定的传感器盖。为了固定电动机引出线，在电动机传动端铝托座上部设置接线盒。

7.6.3.3转子

转子为牢固的鼠笼形状，该构造适用于高速运转。转子导条采用电阻系数较大，强度足够的铜锌合金(红铜)。为了尽量减小运转过程中因温度上升而产生的热膨胀，短路环采用电阻系数较小的纯铜。此外，为了应对高速转动，还在短路环的外围设置保持环。其外观图如图7.68所示。

转子由铁芯、转子导条、端环、护环、转子压板等零部件组成。

(1)转子铁芯

转子铁芯采用硅钢片和SPCC(端板)叠压而成，热套在转子轴上。另外，铁芯设置通风孔，使转子轻量化的同时，也提高了电动机的冷却效率。转子断面图如图7.69所示。

(2)转子导条及端环转子导条采用铜锌合金，转子导条为矩形形状，插入在转子铁芯46个转子槽中。转子导条插好后，从转子铁芯外周通过镦粗挤压变形，牢固地固定在转子槽中。转子导条的两端通过银焊牢固焊接在端环上，端环采用纯铜。

(3)转子轴

轴材用铬钼钢，传动端的螺纹为M42×2-6g。轴伸与联轴节采用锥度配合：大径侧为φ68mm，锥度为1/10，锥度长为75mm。

(4)为了确保转子高速旋转时的安全，在端环的外周设置护环。

7.6.3.4轴承装配

传动侧使用的轴承是NU214C4P6，非传动侧使用的轴承是6311C4P6，传动侧的圆柱滚子轴承考虑到保持架导向面的滑动摩擦生热，并为了有效解决该问题，采用了滚子导向方式的保持架；为了有效防止轴承的电蚀，在两侧轴承的外圈上喷镀了陶瓷，形成了绝缘保护膜。

轴承润滑采用的结构是：在中间加油时通过加油嘴加进的润滑脂能从2处均衡地注入到轴承内部，能延长分解的周期。另外，在传动侧、非传动侧设有注路，电动机解体检查时，可以很容易地进行清洗。另外，为了增大润滑脂量，在传动侧、非传动侧的端盖上设有环状润滑脂室，这种结构能为轴承不断提供新的润滑脂。使用时要注意充填油量以及中途注油量，不混合使用不同种类的润滑脂，在拆卸和装入时，使用油压压进。轴承充填润滑脂后，实施1400r/min左右(工业频率)30min的空载运转，使润滑脂充分进入各个部位。

采用电动机轴承装配图说明轴承装配图的构成及维护特点，突出轴承室的结构特点。传动侧轴承、非传动侧轴承构造如图7.70和图7.71所示：

7.6.3.5通风系统

冷却风采用从车体管道抽取的方式，排气部安装了排风罩盖以防止雪雨进入。如图7.72所示，风从非传动端端盖的进风口进入电动机内部。在电动机内部，通风道有3条，一条是定转子间隙形成风道，一条是转子上的通风孑L形成风道。另一条是定子外表面采用钢板焊成的风道。前2条风道是电动机的主要通风道，而后一条风道主要用来降低定子线圈端部的局部温度。风量从端盖通风口流出，经风罩排出电动机外部。

7.6.3.6速度传感器

牵引电动机在非传动轴端安装了两个速度传感器.用以给传动控制系统提供速度信号，便于逆变器控制和制动控制，外形图如图7.73所示。

(1)速度传感器

①各车轮直径大小不一致造成转速存在差异。逆变器频率设定依据：

a.行进时按4台并联电动机中转数最低的电动机设定频率；

b.再生时按4台并联电动机中转数最高的电动机设定频率。

②空转检测。

③控制制动器。

④运行方向检测和控制主电路。

(2)速度传感器原理

齿轮接近磁铁时，磁力线就会集中到齿轮的齿部，并随齿轮旋转发生变化。磁力线移动变化经磁阻元件检测、电路处理后作为脉冲输出。速度传感器工作原理和输出信号见图7.74和图7.75。

速度传感器使用时要注意及时清洁，不要使本体的顶端以及PG齿轮外围堆积灰尘。

7.6.4牵引电动机调节特性

由动车组牵引特性图7.76可看出，牵引电动机的调节运行特性可分为三个调节区：启动加速区、恒功率输出区I和恒功率输出区Ⅱ。

(1)启动加速区

如果电动机的磁通保持不变，则电动机可以在任何转速下发挥较大的转矩。电动机保持磁通恒定的控制方式有：恒磁通控制、恒电压频率比控制、恒转子全磁通控制等。

(2)恒功率输出区I

通过改变电动机特性曲线，把传统的恒转矩与恒功段的转换点提前，保持电动机磁通不变，在恒功的最初阶段电动机电压继续保持增加，而转差频率下降，电流下降，转矩随定子频率成反比变化，即恒功恒磁阶段。

(3)恒功率输出区Ⅱ

当牵引电动机电压提高到最大数值后，可认为Us≈Es，则可得到式(7.28)： 

式中为常数。

式(7.29)的左端实际上以一定的比例代表着电动机的功率数值。为了使电动机有恒定的输出功率，电压和频率的调节可以采用Us不变、fsl/fs等于常数的调节方式。

综上所述，CRH2型动车组牵引电动机调节特性如图7.77所示

7.6.5牵引电动机谐波分析

CRH2型动车组牵引异步电动机由静止逆变器供电时，其定子电压可分解为一个基波分量和一系列谐波分量。牵引异步电动机在变频调节时，通常是在恒磁通或消弱磁场下运行。这时可以忽略磁路的饱和，而将电动机作为一个线性装置来考虑，从而可应用叠加原理。这就是说，利用谐波等值电路，可以单独分析电动机在各次谐波下的响应特性，然后进行叠加而得到在非正弦电压运行下的综合结果。

(1)谐波电流

利用谐波等值电路可计算出相应的谐波电流，电源电压的各谐波分量Uk可用傅氏级数分解求得，故谐波电流Ik＝Uk/Zk。Zk即k次谐波等值电路的输入阻抗，其值利用相应的电路关系不难求得。当频率高时k次谐波电流的有效值为一般情况下没有零序谐波和偶次谐波，所以总的谐波电流为

如果电动机的基波电流为J，则电动机总的有效电流为

由于s在电动机的整个运行过程中均十分接近于1，从谐波等值电路可以看出，谐波电流的数值近于恒定，而与电动机的转速以及负载情况无关。只有基波电流取决于负载的大小，轻载时电动机谐波电流的相对含量较满载时要大很多，所以轻载时电动机的损耗明显大于电动机在纯正弦电压下运行的损耗。

对于一个给定的电压波形，电动机电流中谐波成分的相对含量取决于电动机总漏电抗的标幺值。总漏电抗的标幺值可以表示为

式中UN——电动机的额定正弦波相电压；

JN——电动机的额定负载电流。

对单脉冲电压，谐波电压的大小反比于谐波的次数，即，代入式(7.30)得

若以基波相电压U1作为电动机的额定正弦电压，则

将式(7.35)代入式(7.34)，可得是次谐波电流的标幺值为

由式(7.36)可见，总的谐波电流反比于总电抗的标幺值。

(2)谐波转矩

非正弦电源下，由于电动机气隙中存在时间谐波磁势，从而产生附加的谐波。根据产生的具体原因和性质的不同，谐波转矩又可分为两种，即稳定谐波转矩和振动谐波转矩。

①稳定谐波转矩

稳定(恒定)的谐波转矩是由同次数的气隙谐波磁通和谐波转子电流的相互作用产生。若气隙中包括基波在内共有”个旋转磁场，则会产生(n-1)个稳定谐波转矩。这些谐波转矩可以采用与基波相同的方法进行计算，即可采用相应的谐波等值电路求解。

电动机的合成电磁转矩应为基波转矩与谐波转矩的代数和。这些谐波转矩本身数值很小，且正向和负向谐波转矩之间可相互抵消(如5次谐波转矩在抵消后只剩一个极小的反向转矩)，所以实际上这种谐波转矩造成的电动机额定转矩的减少是微不足道的，通常可不予考虑。

②振动谐波转矩

振动谐波转矩由不同次数的谐波磁通和谐波转子电流的相互作用产生。若气隙中包括基波在内有n个旋转磁场，则会产生(n2-n)个振动转矩。而其中影响较大的转矩是由基波旋转磁场与谐波转子电流所形成。例如5次谐波的定子电流在气隙中产生的5次谐波磁场以5倍的同步速度反向旋转，从而在转子中感应6倍基波频率的转子电流，而该转子电流与基波旋转磁场相作用即形成6倍基波频率的振动转矩；7次谐波的定子电流在气隙中产生的7次谐波磁场以7倍同步速度正向旋转，也在转子中感应6倍基波频率的电流，从而与基波磁场一起形成6倍基波频率的振动转矩。

11次和13次定子谐波电流与基波磁场将产生12次谐波振动转矩，进而可以推广到任意次定子谐波电流与任意次时问谐波磁场所产生振动转矩，其振动频率可以从电流和磁场谐波次数得出来(谐波电流和磁场以其旋转方向加正负号表示)。

综上所述，异步电动机在非正弦电源下运行时，除去基波成分之外，还有若干不同振幅和频率的电流及谐波磁通。这些谐波将引起电动机的附加铜耗和铁耗，损耗总增量约为基波损耗的20％，所导致电动机温升的提高将使效率降低2％左右。同时这些谐波又产生稳定谐波转矩和振动谐波转矩，稳定谐波转矩的影响可以忽略，振动谐波转矩约为额定转矩的5％～10％，其主要影响是使电动机转矩产生脉动，从而造成电动机转速(主要是低速时)的振荡。适当增加电动机的漏感抗，可以将电动机的谐波电流在给定的极限范围之内。应当指出，上面着重分析的是六阶梯波电压逆变器供电的情况，当采用电流型逆变器向电动机供电时，基本情况相似，只是谐波铜耗略有增大，且振动谐波转矩的数值会随负载电流而变化。

7.6.6牵引电动机检验

7.6.6.1试验种类

试验的种类如表7.28所示，其中划有“○”标记的是需要进行试验的项目，划有“-”标记的是不需要进行试验的项目。另外，试验时，在无特别指定的条件下使用50Hz或60Hz的工频电源，按代用额定参数进行试验评价。关于型式试验及特殊试验只对最初的1台进行实施，交货验收试验时要对全数进行试验。表7.29给出了电动机的相关参数。

表7.28试验种类

表7.29额定参数

7.6.6.2试验内容及方法

(1)外观结构检查

确认各部分的结构、尺寸、材料等无异常。型式试验时要记录好各部分尺寸的测量结果。另外只对最初的4台牵引电动机进行质量测量及记录。

(2)定子绕组电阻的测量

测量定子绕组的直流电阻，换算到115℃(设计值：0.146OΩ/相，115℃)。

(3)空载试验

用表7.29所示的代用额定频率，测量参考额定电压的50％，70％，90％，100％，110％，130％下，空载运转时的电流及输入功率。

(4)堵转试验

在与周围温度相同的冷态下束缚住转子，在端子间加上表7.30所示的代用额定颛率的电压，测量在接通与连续代用额定电流相近电流时的定子侧电压、定子电流及输入功率。

(5)特性的计算

根据(2)～(4)项的试验结果计算出在代用额定频率时的牵引电动机的常数，根据JEC-37的圆图法计算在代用额定频率时的特性。另外用连续代用额定参数进行计算。计算出的功率因数(PF)及转差率(s)，相对于表7.29中记载的标称值必须在以下的范围内。

PF≥标称功率因数—标称功率因数)/6

1.1×标称转差率≥s≥O.9×标称转差率

(6)负载试验

负载试验要在与连续温升试验后相当的高温状态下进行。在表7.30所示的代用额定电压、额定频率下运转，测量牵引电动机负载电流为连续代用额定电流的50％，75％，100％，122.6％(130A)及150％时的输入功率、定子电流、转速及功率因数。

(7)效率的计算

效率的计算为按以下公式计算得出的惯用效率。

η＝P/W×100(％)

P＝(1-s)×[W-Wr-(W0-Wor)]

式中η惯用效率；

W——有负载时的输入功率；

Wr——负载时由定子电流造成的电阻损耗；

WO——空载时的输入功率；

WOr——空载时由定子电流造成的电阻损耗。

另外惯用效率(η)相对于表7.30所记载的额定值，必须在以下范围内。

η≥标称效率-(1-标称效率)/10

(8)温升试验

冷却风量20m3/min条件下，用表7.29所示的代用额定电压、额定电流、额定频率进行连续运转，直到各部分温度饱和为止。测量表7.30中记载部位的饱和温度上升值(试验中周围温度在40℃以下)。测量的饱和温度的上升值在表7.31的限度值以内。

表7.30测量温度

在7040r/min下运转2min，各部分无异常。

(10)绝缘电阻试验

使用1000V兆欧表测量全充电部与磁轭间的绝缘电阻，高温状态下在1MΩ以上，冷态下在3MΩ以上。用500V兆欧表测量磁轭与转子轴之间的绝缘电阻，冷态下在5MΩ以上。

(11)绝缘屈服强度试验

在全充电部分与磁轭之间加入1min工频交流电5000V，确认无异常。

(12)速度传感器输出功率试验

用表7.29所示的代用额定频率，在正转(从非传动侧看为顺时针方向)空载运转状态下，确认与牵引电动机相组合时的输出功率。两个速度传感器中的任何一个，其A相、B相均显示图7.78中所示的波形，Uh在8V以上，相位差在90°加减40°的范围内(电源电压为12V)。

(13)介质损耗角正切试验

加1000V，1500V，2000V，2500V，3000V交流电，测量绕组的介质损耗角正切，求附加电压与介质损耗角正切之间的关系(1000V的介质损耗角正切在5％以下)。

(14)温升试验(逆变器运转)

冷却风量为20m3/min的状态下，使用逆变器电源，用表7.30新干线额定参数中所示的电压、电流及频率连续运转，直到各部分温度饱和，测量表7.31所记载部位的饱和温度上升值。(试验中的周围温度在40℃以下)饱和温度上升值在表7.31规定的限度以下。

(15)测量风量、静压

测量牵引电动机转速为0r/min，1815r/min，4140r/rain，5500r/min，6120r/min，目标风量在10m3/min，15m3/min，20m3/min时的静压。从此结果求以转速为参数的风量与静压的关系，以及以风量为参数的转速与静压之间的关系。

(16)噪声测量

从A、C两个方向测量，牵引电动机分别在1815r/min，3340r/min，4140r/min，6120r/min空载运转时的离牵引电动机1m位置上5个位置的(图7.791～5)噪声。冷却风条件取20m3/min时的状态。

(17)速度传感器

要及时清洁、维护，不要使速度传感器本体的顶端以及PG齿轮外围堆积灰尘，同时应注意：

①不要让拆下来的速度传感器受到碰撞。

②拆下来的速度传感器可以采用图7.80所示的方法保管。

③将速度传感器重新装入速度传感器外壳，涂一层图7.8l所示的密封液。

④取下速度传感器外壳时，一定要先取出速度传感器。(因为其间隙极小，容易损坏传感器)。另外，装入速度传感器外壳时，要在与铝托架之间的间隙中，薄薄地涂一层轴承润滑脂。

7.6.7牵引电动机通风机

动车组牵引电动机通风机安装于车下转向架处，用螺栓悬挂于车体横梁，型号为FL3315ASW-01，为全封闭外冷式三相鼠笼形异步电动机。

7.6.7.1主要技术参数

型号    FL3315ASW-01

方式    蜗轮式

极数    2极

额定值

输出功率    2.8kW

电压    400V

频率    50Hz

转速    2870r/min

风量    40m3/min

风压    2501Pa

冷却方式    全封闭外冷式

质量    83kg

7.6.7.2牵引电动机通风机结构

牵引电动机通风机结构如图7.82所示。

7.6.7.3牵引电动机通风机试验

牵引电动机通风机型式试验、例行试验及检查项目按表7.32进行。

表7.32牵引电动机通风机试验内容