Валентин Иванович КИСЕЛЕВ, профессор, кафедра «Электропоезда и локомотивы»
127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9
Valentin I. KISELEV, Professor, Department of Electric Trains and Locomotives
127994, Moscow, 9, bldg. 9, Obraztsova St.
Татьяна Олеговна ВАХРОМЕЕВА, доцент, кафедра «Электропоезда и локомотивы»
127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9
Tat’yana O. VAKHROMEEVA, Associate Professor, Department of Electric Trains and Locomotives
127994, Moscow, 9, bldg. 9, Obraztsova St.
Алексей Игоревич ФЕДЯНИН, аспирант, кафедра «Электропоезда и локомотивы»
127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9
Aleksey I. FEDYANIN, Postgraduate, Department of Electric Trains and Locomotives
127994, Moscow, 9, bldg. 9, Obraztsova St.
Введение. Вопрос обеспечения работоспособного состояния тягового электродвигателя постоянного тока является актуальным ввиду его масштабного применения на тепловозах, в том числе и современных мощных, работающих на линиях с повышенными массами поездов. В настоящее время в локомотивном хозяйстве сложилось довольно сложное положение из-за выхода из строя тяговых электродвигателей тепловозов по причинам снижения сопротивления изоляций обмоток якорей электродвигателей и последующих их пробоев: до 28 % от общего числа отказов электродвигателей приходится на пробой корпусной изоляции и межвиткового замыкания якоря и 13 % — на случаи понижения сопротивления изоляционного материала.
Материалы и методы. В работе рассмотрены основные направления научных изысканий по исследованию причин нарушения целостности изоляции, которые приводят к внеплановым ремонтам тяговых электродвигателей. Теоретическое обоснование первопричин разрушения изоляции основывается на значимости учета коэффициентов теплового линейного расширения меди и изолирующих ее материалов. С целью исследования термодинамических процессов в обмотке тягового электродвигателя разработана расчетная конечно-элементная модель витка обмотки, уложенного в паз сердечника якоря. Модель обмотки представлена отдельно проводником и изоляцией, между которыми заданы условия контакта. Проводнику расчетной модели от протекания тока сообщен нагрев до 120 °С. Математический аппарат, заложенный в расчетную программу MSC. Patran — Nastran, позволил оценить деформацию проводника относительно изоляции в результате линейного приращения из-за теплового расширения.
Результаты. С помощью метода математического моделирования и на основании результатов конечноэлементного анализа наглядно показано подтверждение теоретического обоснования. Различие удлинений при нагревании проводника якоря электродвигателя и изоляции, полученное методом математического моделирования, составляет 0,6 мм и является значительным для обмотки (состоящей из проводника и изоляции), которую принято рассматривать единым целым телом.
Обсуждение и заключение. Полученный результат показывает необходимость более детальных исследований для подбора технологии исполнения изоляции тягового электродвигателя постоянного тока. Применение изоляционных материалов обмотки якоря с коэффициентами теплового линейного расширения, равными коэффициенту теплового расширения меди проводников обмотки, позволит повысить надежность тяговых электродвигателей тепловозов в эксплуатации.
Introduction. The issue of ensuring the operable state of the DC traction motor is relevant due to its large-scale use on diesel locomotives, including modern powerful motors, operating on lines with increased train masses. At present, a rather difficult situation has developed in the locomotive industry with the failure of diesel locomotive traction electric motors due to a decrease in the insulation resistance of the armature windings of the electric motors and their subsequent breakdowns: up to 28 % of the total number of failures of electric motors are due to breakdown of the hull insulation and interturn short circuit of the armature and 13 % of cases are due to reduction in the resistance of the insulating material.
Materials and methods. The paper considers the main directions of scientific research on the causes of insulation integrity failure, which lead to unscheduled repairs of traction motors. The theoretical substantiation of the root causes of insulation destruction is based on the importance of taking into account the coefficients of thermal linear expansion of copper and its insulating materials. In order to study thermodynamic processes in the winding of a traction motor, a computational finite element model of a winding coil laid in the groove of the armature core has been developed. The winding model is represented separately by a conductor and insulation, between which contact conditions are specified. The conductor of the calculation model heats up to 120 °C from the current flow. Mathematical apparatus embedded in the MSC calculation program, Patran – Nastran, made it possible to evaluate the deformation of the conductor relative to the insulation as a result of a linear increment due to thermal expansion.
Results. With the help of mathematical modelling and based on the results of finite element analysis, the confirmation of the theoretical justification is clearly shown. The difference in elongation during heating of the motor armature conductor and insulation, obtained by mathematical modelling, is 0.6 mm and is significant for the winding (consisting of a conductor and insulation), which is usually considered as a single whole body.
Discussion and conclusion. The obtained result shows the need for more detailed studies to select the technology for the insulation of the DC traction motor. The use of insulating materials for the armature winding with coefficients of thermal linear expansion equal to the coefficient of thermal expansion of the copper conductors of the winding will improve the reliability of traction electric motors of diesel locomotives in operation.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.