UDK 621.3.027 Напряжение
On freight locomotives, asynchronous traction drives operate under heavy-duty conditions with limited cooling intensity, which contributes to overheating the windings and thermal breakdown of their insulation. Therefore, a more detailed study of the thermal state of the traction asynchro-nous motor is necessary, as well as of the methods to prevent its overheating, which leads to rapid wear of the rotor windings and their insulation. Conse-quently, a key task is to determine the influence of the rotor slot shape, which in turn defines the cross-sectional area of the winding bars on the thermal state of the traction asynchronous motor. Based on the research analysis of domestic and foreign scientists, various cross-sectional shapes for the rotor winding bars are considered, such as rectangular, trapezoidal, blade-shaped, pear-shaped, and bulbous ones. For each cross-section of the bars, the authors calculate thermal performance indicators, based on which they propose an optimal cross-section variant that will reduce the temperature of the rotor windings during operation of the traction asynchronous motor.
traction asynchronous motor, winding, rotor, bar, heat transfer
Асинхронный тяговый привод нашел широкое применение на подвижном составе отечественного и зарубежного производства. К числу достоинств тягового асинхронного привода можно отнести следующие: простота устройства, высокая надежность, жесткая естественная характеристика, уменьшение веса за счет меньшего расхода меди, снижение затрат на техническое обслуживание и ремонт. Данные достоинства являются перспективными для применения электрических передач переменного тока при производстве отечественных локомотивов нового поколения, а совершенствование характеристик асинхронного тягового привода является передовой задачей для инженеров.
В нашей стране такой вид передачи установлен на маневровых четырехосных тепловозах ТЭМ21 и 2ТЭ25А, построенных Брянским машиностроительным заводом.
В грузовых локомотивах асинхронный тяговый привод работает при тяжелых режимах и небольшой интенсивности охлаждения, что способствует перегреву обмоток и тепловому пробою изоляции. В связи с чем необходимо более детальное изучение теплового состояния тягового асинхронного двигателя (ТАД), а также способов снижения быстрого изнашивания изоляции и обмоток.
Асинхронный тяговый двигатель в процессе эксплуатации имеет неустановившиеся тепловые режимы. Их инерция в большей степени превышает инерцию электромеханического состояния двигателя. Таким образом при определении изменения температур в обмотках ТАД учет тепловой энергии является условием, при котором будут получены наиболее достоверные результаты.
Короткозамкнутая обмотка ротора асинхронного тягового двигателя за счет вытеснения тока создает момент на валу, увеличение которого возможно за счет изменения сечения стержней, используемых в конструкции обмотки, которые определяются формой пазов ротора. Правильно подобранная форма стержня способствует более точному распределению тока по сечению проводника, что улучшает электромеханические свойства двигателя. Однако следует отметить, что различные формы сечений стержней обмотки оказывают влияние также на теплотехнические свойства двигателя [1, 2]. В связи с чем актуальной является задача в определении влияния формы сечения стержней обмотки на тепловое состояние статора и ротора тягового асинхронного двигателя.
В качестве объекта исследования был принят тяговый асинхронный электродвигатель ДТА-350Т. Данный ТАД применяется на тепловозах ТЭМ21 и 2ТЭ25А. Он предназначен для использования на колёсных парах локомотива, обладает мощностью на валу 350 кВт, работает при максимальном линейном напряжении 1410 В и обеспечивает частоту тока статора до
125 Гц. Двигатель имеет шесть полюсов и в краткосрочном режиме (при трогании) может выдавать фазный ток до 470 А и вращающий момент не менее 10500 Н·м.
Для установления эффективной формы сечения стержней обмотки ротора ТАД, которые будут иметь наименьшее нагрев в процессе эксплуатации, на основе проведенного анализа отечественных и зарубежных исследований, было рассмотрено несколько вариантов сечений: прямоугольные, трапециевидные, лопаточные, грушевидные и колбообразные (рис. 1) [3, 4].
а) б) в)
г) д)
Рис. 1. Формы стержней обмотки ротора:
а – прямоугольная; б – трапециевидная; в – лопаточные; г – грушевидные; д – колбообразные
Fig. 1. Shapes of rotor winding rods:
a – rectangular; b – trapezoidal; c – blade-shaped; d – pear-shaped; d – flask-shaped
Для увеличения пусковых моментов двигателей прямоугольные пазы делают узкими и глубокими, т.к. эффект вытеснения тока в них возрастает с увеличением высоты стержня. Роторы с такими пазами называют глубокопазными.
Чтобы определить в какой степени форма стержня ротора влияет на температуру обмоток было проведено исследование температурных режимов работы тягового асинхронного двигателя с помощью моделирования протекания тепловых процессов в элементах машин в промышленном программном комплексе.
При моделировании учитывалось, что поперечные сечения стержней обмотки ротора эквивалентны по значениям номинальных тяговых моментов и сопротивлений с реальными значениями сечений стержней принятого двигателя ДТА-350Т. В качестве материала стержней задавалась медь, а площади поперечных сечений каждой формы стержней ротора были идентичны между собой.
При моделировании были получены параметры теплового состояния обмоток, такие как площади F теплоотдачи и теплопроводности, а также значение теплопередачи от стержней ротора в атмосферу [5 – 7].
В ходе анализа полученных расчетных данных при моделировании установлено, что наибольшую поверхность теплоотдачи имеет стержень трапециевидной формы, которая составляет 0,121 м2, наименьшее значение этого параметра у сечения стержней обмотки грушевидной формы, которое составляет 0,026 м2 (рис. 2, а). Также установлено, что наибольшую площадь теплопроводности к ротору имеет сечение стержня грушевидной формы, которая составляет 0,84 м2 (рис. 2, б), трапециевидные, лопаточные и колбообразные сечения получили приблизительно одинаковые значения, которые составляют около 0,06 м2.
а)
б)
Рис. 2. График значений площадей поверхности теплоотдачи (а) и теплопроводности к ротору (б) для разных форм сечений обмотки ротора:
1 – прямоугольные; 2 – трапециевидные; 3 – лопаточные; 4 – грушевидные; 5 – колбообразные
Fig. 2. Graph of heat transfer surface area values (a) and thermal conductivity to the rotor (b) for different rotor winding cross-section shapes:
1 – rectangular; 2 – trapezoidal; 3 – blade-shaped; 4 – pear-shaped; 5 – flask-shaped
В результате расчета также было получено значение теплоотдачи стержней в атмосферу q с разными сечениями (рис. 3). Установлено, что наибольшее значение этого показателя зафиксировано для трапециевидного сечения и составило около 274 Вт/°С, а наименьшее для грушевидного – 148,6 Вт/°С.
Рис. 3. График значений теплоотдачи стержней ротора в атмосферу:
1 – прямоугольные; 2 – трапециевидные; 3 – лопаточные; 4 – грушевидные; 5 – колбообразные
Fig. 3. Graph of heat transfer values of rotor rods into the atmosphere:
1 – rectangular; 2 – trapezoidal; 3 – blade-shaped; 4 – pear-shaped; 5 – flask-shaped
Основываясь на полученных данных, можно сделать вывод что наибольшей теплоотдачей обладает трапециевидная форма сечения обмотки статора ТАД, наименьшей – грушевидная. В связи с этим рекомендуется использование трапециевидной формы для избегания перегрева обмотки и теплового пробития изоляции ТАД на локомотиве.
1. Kopylov I.P. Design of Electri-cal Machines. 4th ed. Moscow: Yurait [Internet]. 2025 [cited 2025 Feb 14]. Available from: https://urait.ru/bcode/566208
2. Design of Electrical Machines. 3rd ed. Moscow:Energia; 1970.
3. Tikhonov F.V. Developing Methods for Selectingthe Parameters of an Asynchronous Traction Motor Taking Into Account the Thermal State of the Winding. Candidate of Technical Sciences Thesis. Moscow; 2008.
4. Zabudsky E.I. Electrical Ma-chines. Asynchronous Machines. Part 2. Moscow: Megapolis; 2017.
5. Zyuzev A.M., Metelkov V.P. Evaluation of Heating of the Stator Winding of an Asynchronous Motor in an Electric Drive With a Periodic Loading Pattern. Electrotechnical Sys-tems and Complexes.
6. Fedorova K.G. Review of Exist-ing Thermal Models for Frequency-Regulated Asynchronous Electric Mo-tor. Chief Power Engineer. 2018;7.
7. Galushko V.N., Evdasev I.S., Patskevich V.A., Drobov A.V. Calcu-lation of Asynchronous Motors. Part 2. Gomel: Belarusian State University of Transport; 2016.
8. Kopylov I.P. Design of Electri-cal Machines. Moscow: Energy; 1980.
