畢業(yè)設(shè)計(jì)-調(diào)研報(bào)告

大連交通大學(xué)2013屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）實(shí)習(xí)（調(diào)研）報(bào)告調(diào)研報(bào)告1.課題的來源及意義高速鐵路是當(dāng)代高新技術(shù)的集成，以其快速、高效、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)在世界各國(guó)得到了迅猛的發(fā)展。高速動(dòng)車組普遍采用變頻調(diào)速交流傳動(dòng)系統(tǒng)，變頻調(diào)速牽引電機(jī)是高速動(dòng)車組的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能對(duì)動(dòng)車組的安全性、穩(wěn)定性、可靠性具有重要影響。比如，隨著動(dòng)車組牽引功率不斷提升，單臺(tái)牽引電機(jī)容量需要大幅度提高。目前由于變流器開關(guān)器件的耐壓水平無法提高，所以增大輸入電流以提高單臺(tái)電機(jī)的輸出功率是實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)大容量化的有效方式之一。但是，大工作電流將使電機(jī)的損耗增加，同時(shí)由于動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的軸重和空間體積有限，電機(jī)運(yùn)行和散熱狀況惡劣，造成牽引電機(jī)各部件工作溫度升高（有時(shí)甚至達(dá)到200°C以上），電機(jī)內(nèi)熱點(diǎn)溫度頻繁超限，可能導(dǎo)致電機(jī)絕緣失效。因此，準(zhǔn)確解析牽引電機(jī)電熱場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)電機(jī)溫升熱點(diǎn)，對(duì)電機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)從而提高電機(jī)的服役性能成為大功率牽引電機(jī)設(shè)計(jì)制造的重要問題。本課題擬對(duì)動(dòng)車組的牽引電機(jī)進(jìn)行初步探究，進(jìn)而設(shè)計(jì)理論上比較合理的牽引電機(jī)。2.牽引電機(jī)簡(jiǎn)介及國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r牽引電機(jī)有許多類型，諸如直流牽引電動(dòng)機(jī)、脈流牽引電動(dòng)機(jī)、變頻交流異步牽引電動(dòng)機(jī)、晶鬧管同步牽引電動(dòng)機(jī)、永磁同步牽引電動(dòng)機(jī)、直流牽引發(fā)電機(jī)以及交流牽引發(fā)電機(jī)等。由于交流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、單位功率體積重量小等優(yōu)點(diǎn)，特別是大功率變頻裝置及控制技術(shù)的不斷完善，應(yīng)用交流電機(jī)作為機(jī)車牽引己經(jīng)成為牽引傳動(dòng)發(fā)展的一個(gè)重要方向。2.1牽引電動(dòng)機(jī)目前牽引電動(dòng)機(jī)有多種類型，如直流牽引電動(dòng)機(jī)、交流異步牽引電動(dòng)機(jī)和交流同步牽引電動(dòng)機(jī)等。直流牽引電動(dòng)機(jī)，尤其是直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)有較好調(diào)速性能和工作特性，適應(yīng)機(jī)車牽引特性的需要，獲得廣泛應(yīng)用。牽引電動(dòng)機(jī)的工作原理與一般直流電動(dòng)機(jī)相同，但有特殊的工作條件：空間尺寸受到軌距和動(dòng)輪直徑的限制；在機(jī)車運(yùn)行通過軌縫和道岔時(shí)要承受相當(dāng)大的沖擊振動(dòng)；大、小齒輪嚙合不良時(shí)電樞上會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng);在惡劣環(huán)境中運(yùn)用，雨、雪、灰沙容易侵入等。因此牽引電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上也有許多要求，如要充分利用機(jī)體內(nèi)部空間使結(jié)構(gòu)緊湊，要采用較高級(jí)的絕緣材料和導(dǎo)磁材料，零部件需有較高的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，整臺(tái)電機(jī)需有良好的通風(fēng)散熱條件和防塵防潮能力，要采取特殊的措施以應(yīng)付比較困難的“換向”條件以減少炭刷下的火花等。牽引電動(dòng)機(jī)有兩種懸掛方式。一種是牽引電動(dòng)機(jī)和動(dòng)輪軸連接的懸掛方式，稱為抱軸式懸掛或半懸掛。采用這種懸掛方式時(shí)，動(dòng)輪通過軌縫和道岔所產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)會(huì)直接傳給牽引電動(dòng)機(jī)。抱軸式懸掛適用于結(jié)構(gòu)速度低于120公里/小時(shí)的機(jī)車車輛。另一種是架承式懸掛(或稱全懸掛)。采用這種懸掛方式時(shí)牽引電動(dòng)機(jī)固定懸掛在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，在牽引電動(dòng)機(jī)軸端和小、大齒輪之間加入各種彈性連接元件，以減小沖擊振動(dòng)的影響。架承式懸掛適用于結(jié)構(gòu)速度高于120公里/小時(shí)的機(jī)車車輛。在用牽引變壓器降壓經(jīng)硅整流器或大功率晶閘管整流后供電給直流串勵(lì)牽引電動(dòng)機(jī)時(shí)，加在牽引電動(dòng)機(jī)上的電壓為脈動(dòng)電壓，因此這種牽引電動(dòng)機(jī)稱為脈流牽引電動(dòng)機(jī)。大功率脈流牽引電動(dòng)機(jī)的“換向”條件更加困難。此外，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部還有一些附加損耗，從而引起電動(dòng)機(jī)溫升，因此，脈流牽引電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上還要采取一定的特殊措施，以解決“換向”和溫升兩個(gè)突出的問題。2.2牽引發(fā)電機(jī)專用于電力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車，以供給牽引電動(dòng)機(jī)電力的發(fā)電機(jī)，稱作牽引發(fā)電機(jī)。牽引發(fā)電機(jī)有直流和交流兩種。直流牽引發(fā)電機(jī)直接向直流牽引電動(dòng)機(jī)供電。交流牽引發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電經(jīng)硅整流器整流后再向直流牽引電動(dòng)機(jī)供電。交流整流電路是三相的，整流電壓雖然有脈動(dòng)，但脈動(dòng)量比較小，因此牽引電動(dòng)機(jī)還被認(rèn)為是一般的直流電動(dòng)機(jī)。2.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r目前，我國(guó)高速鐵路牽引傳動(dòng)普遍釆用交一一直一一交三相交流系統(tǒng)，該系統(tǒng)先將電壓頻率一定的交流電（25kV，50Hz)整流為直流，再經(jīng)過逆變器變?yōu)轭l率可調(diào)的三相交流電，供給三相交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。中間直流回路兩側(cè)的變流器必須在互不干擾的情況下工作，因此電路中需要設(shè)有電容或者電感作為儲(chǔ)能元件。若中間環(huán)節(jié)并聯(lián)大電容作為儲(chǔ)能元件，它能大大降低電源側(cè)的阻抗，從而可視為一個(gè)電壓源；如果中間環(huán)節(jié)串聯(lián)大的電抗器作為儲(chǔ)能元件，它能大大增加電源側(cè)的阻抗.從而可視為一個(gè)電流源。因此，交一一直一一交傳動(dòng)系統(tǒng)隨著中間環(huán)節(jié)儲(chǔ)能元件的性質(zhì)和接法的不同，可以分為電壓型和電流型逆變器。隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，對(duì)牽引電機(jī)的運(yùn)行性能提出了越來越高的要求。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外己開始用計(jì)算機(jī)對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和理論研究。方案設(shè)計(jì)包括最初階段用人機(jī)對(duì)話方式進(jìn)行的分析計(jì)算方式；后來發(fā)展到用計(jì)算機(jī)自動(dòng)做出判斷、考慮各種設(shè)計(jì)要求自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整的綜合設(shè)計(jì)方式；以及近年來采用的目標(biāo)函數(shù)和數(shù)學(xué)模型，以現(xiàn)代數(shù)學(xué)導(dǎo)優(yōu)理論為依據(jù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，并力求在最短的時(shí)間內(nèi)獲得最佳的設(shè)計(jì)方案。理論研究的內(nèi)容則更為廣泛，其中包括對(duì)復(fù)雜的換向回路進(jìn)行數(shù)值解析；用有限元分析電磁場(chǎng)的方法，正確分析電機(jī)內(nèi)部的磁通分布，進(jìn)而計(jì)算電機(jī)的電位特性和各項(xiàng)電磁參數(shù)以及對(duì)電機(jī)零部件的應(yīng)力集中、溫度場(chǎng)的分布進(jìn)行深入的分析。三相交流傳動(dòng)系統(tǒng)可使用異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)，在發(fā)展初期，除少數(shù)國(guó)家（法國(guó)、前蘇聯(lián)）曾采用同步電動(dòng)機(jī)外，多數(shù)國(guó)家和我國(guó)都采用異步電動(dòng)機(jī)作為主電機(jī)驅(qū)動(dòng)。3.動(dòng)車組牽引電機(jī)特點(diǎn)（以CHR3為例）CRH3動(dòng)車組配有16臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)，為四極三相異步牽引電機(jī)。電動(dòng)機(jī)位于EC01/EC08和IC03/IC06車上，動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的每個(gè)輪對(duì)都由牽引電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，牽引電動(dòng)機(jī)安裝在轉(zhuǎn)向架上。電動(dòng)機(jī)為強(qiáng)制風(fēng)冷式，使用溫度傳感器進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的溫度監(jiān)測(cè)，以防電機(jī)過熱情況的出。3.1牽引電機(jī)的特點(diǎn)該電機(jī)為三相四極異步牽引電機(jī)，牽引工況作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，再生制動(dòng)時(shí)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，電機(jī)安裝有溫度傳感器和速度傳感器，用于測(cè)量電子定子的溫度和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，該電機(jī)采用風(fēng)冷的方式進(jìn)行冷卻，額定電壓值較高，約為2700v，以適應(yīng)電機(jī)寬調(diào)速范圍，動(dòng)車組高速運(yùn)行的需要。3.2電機(jī)接口牽引電機(jī)安裝在轉(zhuǎn)向架上，使用軸向、徑向彈性離合器及齒輪箱，將牽引力從牽引電動(dòng)機(jī)傳遞給輪對(duì)。離合器可以抵消驅(qū)動(dòng)部件與驅(qū)動(dòng)輪間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移，同時(shí)離合器可以實(shí)施機(jī)械過載保護(hù)功能，以防出現(xiàn)不容許的高沖擊力矩。軸驅(qū)動(dòng)器的齒輪為螺旋齒。齒輪機(jī)構(gòu)由車軸上的輪軸軸承支持，并使用轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的彈性支架（扭矩反作用支柱）懸掛。電機(jī)的電力連接是通過三條電力直通電纜實(shí)現(xiàn)的，通過單獨(dú)的防水型引線孔從電機(jī)輸出。為把電機(jī)電纜連接到設(shè)備電纜上，要使用特殊的端子夾住電纜；為保護(hù)單獨(dú)的電纜連接，要使用已經(jīng)適當(dāng)絕緣的支架。溫度傳感器以及速度傳感器的連接是通過快速連接線和密封環(huán)連接器實(shí)現(xiàn)的。3.3電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)牽引電動(dòng)機(jī)：額定電壓（2,700V）額定電流（145A）額定功率（562kW）額定轉(zhuǎn)速（4,100r/min）齒輪箱：輪對(duì)最大負(fù)載（17t）齒輪比（1:2.788（1檔））輸入速度（5,900

rpm）3.4牽引電機(jī)的結(jié)構(gòu) 該電機(jī)為三相四極異步牽引電機(jī)，由轉(zhuǎn)子、定子、機(jī)殼及附件構(gòu)成，定子內(nèi)埋有溫度傳感器，用于過熱保護(hù)和控制過程中的校準(zhǔn)。同時(shí)也安裝有速度傳感器，用于電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的檢測(cè)。定子——定子框架為焊接結(jié)構(gòu)，由高強(qiáng)度低損耗的硅鋼片疊壓而成，可以抑制定子內(nèi)鐵損。有多根拉板分布在定子沖片的四周，焊接到定子壓圈上。定子繞組線圈由扁銅導(dǎo)體繞成。導(dǎo)體外包絕緣薄膜。線圈嵌入定子槽內(nèi)，定子槽進(jìn)行了良好的絕緣。槽楔采用聚酰亞胺樹脂浸潤(rùn)玻璃制成。嵌線完成后，通過高溫銅點(diǎn)焊連接引線。轉(zhuǎn)子——轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，該硅鋼片熱套在一個(gè)套筒上，并在兩個(gè)轉(zhuǎn)子壓圈之間進(jìn)行疊壓。轉(zhuǎn)子籠由合金導(dǎo)條和端環(huán)通過高頻釬焊焊接而成。電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速內(nèi)都滿足轉(zhuǎn)子高精度的動(dòng)平衡要求。電機(jī)軸由高強(qiáng)度合金鋼制成，通過護(hù)環(huán)對(duì)端環(huán)進(jìn)行保護(hù)。轉(zhuǎn)子軸由軸承支撐，可以承受一定轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的應(yīng)力，所有軸承均使用脂潤(rùn)滑，油脂可以通過端蓋上的加油油嘴進(jìn)行補(bǔ)充。外端蓋——外端蓋對(duì)電機(jī)部件起到保護(hù)、支撐的作用。軸承裝配——軸承用于承擔(dān)徑向及軸向的作用力，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)端采用的是圓柱滾動(dòng)軸承、非驅(qū)動(dòng)端采用的是球滾動(dòng)軸承。通風(fēng)系統(tǒng)——一臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)風(fēng)機(jī)為轉(zhuǎn)向架的兩個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)提高所需的通風(fēng)。牽引電動(dòng)機(jī)風(fēng)機(jī)位于動(dòng)車組的地板下區(qū)域（靠近轉(zhuǎn)向架），牽引電機(jī)內(nèi)部設(shè)有風(fēng)道并與外部風(fēng)道相連，用于牽引電機(jī)內(nèi)部的通風(fēng)冷卻。其它——該電機(jī)安裝有速度傳感器和溫度傳感器，溫度傳感器埋設(shè)在定子中，速度傳感器安裝在非驅(qū)動(dòng)端。該傳感器由一個(gè)固定在軸上的齒輪和一個(gè)固定在傳動(dòng)端對(duì)面一側(cè)外蓋上的電磁信號(hào)采集器組成；該信號(hào)采集器能夠檢測(cè)到輪齒發(fā)出的電脈沖，其速度正比于轉(zhuǎn)子軸的速度。4.牽引電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)為了解決直流和脈流牽引電動(dòng)機(jī)的“轉(zhuǎn)向”問題，有些國(guó)家已在使用晶閘管無換向器式牽引電動(dòng)機(jī)和三相交流異步變頻牽引電動(dòng)機(jī)，并在試驗(yàn)以直線異步電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的磁懸浮高速車輛。晶閘管無換向器式牽引電動(dòng)機(jī)是由一臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)和一組晶閘管逆變器組成，用晶閘管和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器來代替直流牽引電動(dòng)機(jī)的換向器和炭刷結(jié)構(gòu)。這種電動(dòng)機(jī)具有直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)而沒有困難的“換向”問題。但晶閘管及其控制系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，所以電子元件直接影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行可靠性。三相交流異步變頻牽引電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，成本低廉，是比較理想的牽引電動(dòng)機(jī)。但由于需用變頻調(diào)速，它的發(fā)展和應(yīng)用一度受到限制。60年代，大功率晶閘管變頻裝置的發(fā)展使異步電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)變頻調(diào)速。現(xiàn)在各國(guó)已有較多機(jī)車和動(dòng)車采用三相交流異步變頻牽引電動(dòng)機(jī)。聯(lián)邦德國(guó)和日本在試驗(yàn)的磁懸浮高速車輛上采用直線異步電動(dòng)機(jī)。它的初級(jí)繞組敷設(shè)在地面導(dǎo)軌上，由地面的變頻電源供電以產(chǎn)生行波磁場(chǎng)，調(diào)節(jié)供電電源頻率就可改變磁懸浮高速車輛的速度。次級(jí)繞組就是反應(yīng)板，裝在車輛的構(gòu)架上。初級(jí)行波磁場(chǎng)和次級(jí)感應(yīng)電流的相互作用，不僅產(chǎn)生使車輛前進(jìn)的推力，而且還產(chǎn)生磁拉力以懸浮車輛，并在制動(dòng)工況時(shí)起著動(dòng)力制動(dòng)的作用。5.本課題的研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容、研究方法研究目標(biāo)：本課題意在充分了解國(guó)內(nèi)外高速動(dòng)車組上牽引電機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r，并掌握牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)、功能、優(yōu)缺點(diǎn)等相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，進(jìn)而自己設(shè)計(jì)一臺(tái)理論上盡可能合理的高速動(dòng)車牽引電機(jī)，以克服現(xiàn)有電機(jī)的不足之處。研究?jī)?nèi)容：了解牽引電機(jī)的發(fā)展、結(jié)構(gòu)、功能、優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一臺(tái)理論上比較合理的牽引電機(jī)。研究方法：查找相關(guān)資料，請(qǐng)教老師，自己動(dòng)手。6.本課題的進(jìn)度安排詳見進(jìn)度考核表。周序內(nèi)容周序內(nèi)容第1周查詢課題相關(guān)情況，接受課題，完成任務(wù)書、選題表、進(jìn)度計(jì)劃與考核表的填寫工作，考慮畢業(yè)設(shè)計(jì)的總體進(jìn)度.第8周確定電機(jī)設(shè)計(jì)方案及工作原理.第2周查閱課題相關(guān)信息，完成調(diào)研報(bào)告.第9周進(jìn)行動(dòng)車組牽引電機(jī)容量的計(jì)算.第3周大量翻閱資料，搜尋相關(guān)信息，著手完成外文翻譯.第10周進(jìn)行動(dòng)車組牽引電機(jī)容量的計(jì)算.第4周整理相關(guān)資料，完成外文翻譯工作.第11周根據(jù)動(dòng)車組特殊工作環(huán)境完成牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).第5周學(xué)習(xí)動(dòng)車組牽引傳動(dòng)與控制等相關(guān)專業(yè)知識(shí).第12周根據(jù)動(dòng)車組特殊工作環(huán)境完成牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).第6周學(xué)習(xí)電機(jī)等相關(guān)知識(shí).第13周資料整理，撰寫論文12000字.第7周繼續(xù)學(xué)習(xí)電機(jī)相關(guān)知識(shí)，并初步制定設(shè)計(jì)計(jì)劃.第14周整理全部材料，準(zhǔn)備答辯.7.軟件使用鑒于本課題重于研究設(shè)計(jì)，故在牢固掌握相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，才是重中之重，并不需要軟件的使用。8．參考文獻(xiàn)［1］小林良男.牽引電動(dòng)機(jī)軸承用潤(rùn)滑脂的新技術(shù)［J］.國(guó)外內(nèi)燃機(jī)車，2002.［2］鄧學(xué)壽.CRH2型200km/h動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)［J］.機(jī)電傳動(dòng)，2008.［3］陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.［4］許實(shí)璋.電機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.［5］李益豐.電動(dòng)汽車異步驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)［J］.變流技術(shù)與電力牽引，2003.［6］黃立培.電動(dòng)機(jī)控制［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.［7］黃濟(jì)榮.電力牽引交流傳動(dòng)與控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.[8]張曙光.CRH2A型動(dòng)車組(中國(guó)高速鐵路技術(shù)叢書/和諧號(hào)CRH動(dòng)車組技術(shù)系列)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2008.[9]馮曉云.電力牽引交流傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)[M].北京:高等教育出版社,2009.[10]葛興來,馮曉云.動(dòng)車組牽引傳動(dòng)三電平逆變器SVPWM控制[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008(12).[11]張曙光.鐵路高速列車應(yīng)用基礎(chǔ)理論與工程技術(shù)[M]北京:科學(xué)出版社，2003.[12]王成元,周美文,郭慶鼎.矢量控制交流伺服驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,[13]陳堅(jiān).交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型及調(diào)速系統(tǒng).北京:國(guó)防工業(yè)出版社,