hxd3 型电力机车牵引电机故障分析及处理措施研究

引言

HXD3 型电力机车是我国干线货运的关键装备，其牵引系统性能直接关系着机车运行的安全与可靠性。运输任务愈发繁重时，牵引电机长时间高负荷运行便容易产生过热、绝缘击穿等故障，这严重干扰设备寿命及运输效率。深入探究牵引电机故障机理并开展处理技术研究，对改进机车运行稳定性、保证铁路运输安全、促进国产电力机车核心技术发展具有重要价值。

一、HXD3 型牵引电机结构及工作原理

HXD3 型电力机车牵引电机是三相异步电动机，功率大，效率高，调速范围广，广泛应用于干线货运机车的牵引。电机定子主要由铁心、三相对称绕组和机座组成。电机的定子铁心是由高导磁率硅钢片压叠而成，其绕组材料是耐高温的绝缘材料，具有良好的热稳定性和耐电强度。转子部分是鼠笼式的，由转子铁心和铝或铜制的导条构成，导条两端连接形成闭合的回路，当受旋转磁场的感应时，会产生感应电流并形成电磁转矩。牵引电机从牵引变流系统中得到电能供应，牵引变流系统采用交—直—交结构，即牵引变压器降压后再经过四象限整流器将交流电整流成稳定的直流电，然后由逆变器转变成三相交流电来驱动牵引电机，如图 1。控制系统根据速度、电流、负载等工况调节逆变器的输出，进而调整电机的运行速度；HXD3 型牵引电机常置于转向架上，弹性悬挂搭配空心轴驱动，以减轻振动、冲击并提升其机械适应性和寿命，延长效果明显。冷却方式大多采用强迫风冷手段，保证该电机在高功率工况下的温升保持在安全界限之内。整体设计在可靠性和维护方便程度两方面均衡考虑后完成，是机车长时间连续运行的基础性组件之一。

二、hxd3 型电力机车牵引电机常见故障分

（一）定子绕组绝缘老化引发击穿故障

HXD3 型电力机车牵引电机在长时间高负荷运行条件下，定子绕组绝缘系统要承受高频脉冲电压、电热交替应力和机械振动等多重作用，这些因素都会加快绝缘介质性能衰退速度。绝缘材料通常采用 F 级或 H 级耐热漆包线，开始时绝缘电阻能达到几百兆欧姆，在频繁启停、温升达 130℃以上、谐波干扰频繁的情况下，绝缘介质很容易出现微裂纹或树枝状放电通道，击穿风险随之增大。电机依靠 PWM 逆变器供电时，输出电压常常会有 dv/dt 冲击，典型的上升沿速率超过 5kV/μs ，高频成分在绕组之间以及绕组对地之间引发局部放电，给绕组层间绝缘带来穿透性应力。实际检测时，有些使用超过 2 年的牵引电机，其定子绕组绝缘电阻已低至几十兆欧以下，泄漏电流超出 0.8mA ，远高于 IEC 标准的 0.5mA 警戒值。这类绝缘击穿常常发生在绕组端部或槽口，电晕腐蚀、绕组挤压变形、线圈出槽都是诱因。局部热点在热红外检测中能观测到温度异常点达 160^∘C ，严重时会伴随臭氧味或局部放电声。长时间如此会引发绝缘完全击穿，造成绕组对铁心接地短路，导致牵引系统发生保护性跳闸，严重影响机车持续牵引能力。

（二）转子断条引起的电磁不平衡故障

HD3 型牵引电机选用鼠笼式铝转子结构，转子导条经铸造与端环连接，以达成封闭感应回路。长时间运行时，转子断条属于一种常见的且难以察觉的电磁故障，导条产生裂纹一般由机械应力疲劳、铸造瑕疵、气孔收缩或者热循环引发。一旦发生断条现象，导条电流就无法构成闭合回路，造成磁场分布出现偏差，电磁转矩波动加剧。在针对运行时间已达 5 年以上的机车开展振动谱检测之时，常常观测到，当处于运行频率附近时，会存在 2 倍转频侧带成分，而且幅度往往超出背景噪音 6dB 以上，这表现出具有典型的断条特征。对比正常状态下的空载电流波形，当发生断条时会存在周期性基波畸变，电流峰值不稳定，最大相电流偏差大于 8% ，定子电流频谱在电源频率两侧出现 ± fslip 调制分量，说明转子磁场不对称已经产生横向推力，严重时甚至会出现机座振动超过 100μm 。转速回差较大，空载噪声增大 3～5dB 。如果断条数量持续增加，转子局部发热加剧，铁芯饱和的范围也会扩大，导致绕组温升升高和其他故障的蔓延。

（三）轴承异常磨损导致机械失稳故障

牵引电机轴承处于高速重载工况中，HXD3 型电机一般采用双列圆柱滚子轴承或调心滚子轴承，设计寿命达 20000 小时以上。但在实际运行环境中，振动、冲击载荷、润滑不足、电腐蚀等共同影响，容易造成轴承提前磨损乃至失效。电机运行时，轴承振动信号中的高频冲击成分增多，局部周期性脉冲包络波显现，振动加速度峰值由正常 1.5g 升至 5g 以上。频谱中出现明显 BPFO（外圈故障频率）和 BPFI（内圈故障频率）特征峰，这往往关联滚动体对滚道的反复撞击。润滑不良时，油膜厚度不够，金属接触增多，温升迅速上升，轴承外圈温度达到90℃以上，超过设计的极限。如果电机使用逆变器供电，未进行轴电流屏蔽处理，轴承会因电压感应产生微电弧放电，表面会长出鱼鳞状的麻点，出现疲劳剥落。部分退役电机拆检时，轴承滚道表面疲劳剥落面积达 25% 以上，润滑脂氧化变质，含杂质量超过 3% ，远超制造标准。轴承间隙发生改变，转子轴心偏移，气隙不均匀，电磁力不平衡，严重时导致转子扫膛，破坏电机磁极系统。

（四）电流谐波引发温升异常故障

HXD3 型牵引电机采用PWM 逆变器供电，逆变器输出是脉冲电压，不是理想的正弦波，所以会在电机电流中引入很多谐波成分。电机高速重载运转时，谐波电流导致附加损耗增多，定子绕组铜耗和铁芯涡流损耗同时增大，致使温升异常。实际检测时，电机工作在额定载荷下的主频是45Hz，不过在频谱里可以看见明显的5 次（225Hz）、7 次（315Hz）、11 次（495Hz）电流谐波，它们的幅值分别达到 110A、72A、34A，占基波电流的比例超过 15%_∘ 这些高频电流在定子绕组中产生集肤效应，使得电流密度分布不均匀，等效电阻大约上升 12% ，单位长度的发热量明显增大。定子铁心中的高频磁通变化产生涡流，局部热点形成。在温升测试中，绕组端部温度从原设计的 125℃升至 152% ，超过 F 级绝缘允的极限。温升突变也加快了绝缘材料的老化速度，试验显示，绝缘寿命每升高 10℃就会减半。逆变器 PWM 策略若不采用某种谐波抑制技术（如 SHE-PWM、SVPWM 等），其输出电压波形中的谐波能量分布就不均匀，电机三相绕组热负荷不均，A 相和 C 相温差可达 18°C ，容易出现热膨胀不均、结构变形等问题。长时间的谐波热应力积累会使绕组温度接近极限，引发温控跳闸或绕组热击穿。

三、hxd3 型电力机车牵引电机故障处理措施

（一）定子绕组绝缘击穿的处理措施

对于HXD3 型电力机车牵引电机中定子绕组绝缘击穿问题，要采取多层次联合措施策略从材料、制造工艺、在线监测及故障预警系统四个方面入手去改进。就材料来讲，应该优先选用 H 级或更好的耐高温聚酯亚胺漆包线，这种漆包线的热等级达到 180^∘C 以上，具有不错的耐电晕能力，抗热冲击性能强，符合频繁起停以及高频 PWM 电压激发的情况。它的绝缘介电强度要在 ⩾ 12kV/mm，以保证其在长时间工作时层间绝缘保持稳定状态。就制造工艺而言，针对定子绕组的槽口包扎、端部封绑工艺应采用预浸玻璃布加上双组份环氧浸渍的方式，浸透率需求达 98% 以上。在进行真空压力浸漆（VPI）时，还需执行两次热固化处理，以增进绝缘结构的紧密性与热稳定性能。在线监测，应布置定子绕组绝缘在线监测模块，包含高压介质损耗因数（tanδ）在线监测系统，介质局部放电电平（PD）捕捉系统，局放起始电压不低于 1600V，PD 水平低于 50pC。应用过程中，一旦 tanδ 超过 2.5% 或者 PD 水平超过 100pC ，应立即安排停机检查。预警控制方，应在变流器系统中加入 dv/dt 抑制器和共模电压屏蔽装置，以削减PWM 调制输出对绕组绝缘结构的尖峰电压冲击。dv/dt 滤波器设计应实现至少 70% 的上升沿缓冲，使等效输出电压 dv/dt 降至 1.2kV/μs 以下，有效遏制端部高频击穿风险。运维周期中，每季度开展绝缘电阻测试，数据应大于 100MΩ。用偏压法检测绕组吸收比和极化指数，如果 PI值小于2，则判断老化程度，并决定是否更换绕组或做局部重浸。

（二）转子断条故障的处理措施

转子断条问题的解决，关键在于结构设计优化、材料工艺改进以及运行状态监测系统的集成设计。在结构设计层面，选用电铝铸造工艺代替传统的低压铸铝技术，使用高纯度导电铝（ Al⩾99.7% ），并利用铸造工艺的真空负压灌注控制，使铸件内部无气孔、夹杂、缩松等缺陷。转子条与端环的连接区段过渡圆角优化以降低热应力集中，控制冷却过程的线性收缩率在0.3% 以内，防止产生微裂纹隐患。材料选取方面，推荐使用铝- 铜合金复合导条结构，保持高导电率的同时提高疲劳强度和抗热震性能，断裂韧性提升 30% 以上。装配过程要执行 100% 的超声波探伤和 X 射线成像检测，保证导条连续性与致密性。运行状态监测系统方面，可以在电机控制器中集成定子电流在线监控模块，利用 Park 矢量变换与频谱分析算法，随时提取 ±fs 、2fs 等特征频率分量。借助傅里叶分析与小波包能量分布对比来实现断条预警识别，准确率达到93%_∘ 应在维护周期内定期开展振动分析，采用加速度传感器采集轴向、径向振动信号，采用基于 EMD、Hilbert 谱的算法提取断条引起的非平稳特征。若 BPFO 或 2X 侧带幅值大于 5dB，或振动幅值大于 100μm ，应安排计划性检修。对于已经发生断条的电机，可以采取动平衡修复后再注铝的方式进行修复处理。对导条端环连接处采用激光焊接方式重构闭合回路，焊缝强度应大于母材，以保证在长时间高频载荷下的连接强度。

（三）轴承早期磨损的处理措施

针对 HXD3 型电力机车牵引电机轴承早期磨损现象，要从润滑系统改进、轴电流抑制、结构保护和状态诊断等多个方面着手处理。润滑系统选用高性能合成复合脂，基础油粘度≥ 220cSt，滴点 >250^qC ，稠化剂采用复合磺酸钙基或聚脲基体系，以保证高温高压环境下的润滑膜稳定性。注脂周期须与运行负荷和转速相适应，建议采用自动润滑装置，根据运行时长和轴温数据自动注脂，注脂频率设定为每运行 800 小时一次，防止润滑脂稠化变质引发摩擦热上升。轴电流问题涉及轴承绝缘或者轴电流旁路装置，逆变器供电状况下高频共模电压引发的轴承电蚀是造成早期剥落的主要原因，可采用绝缘轴承（陶瓷球轴承），或者在轴端增设刷式接地装置，刷体选用铜石墨复合材料，接地电阻小于 0.1 欧姆，可以及时泄放感应电荷。结构方面要对轴承腔口实施迷宫密封和压圈加持结构，防止水汽、尘粒进入润滑系统，提升结构刚性以抵御外部冲击导致的间隙加大。监测系统须设置多通道轴承状态检测模块，配合三轴向加速度传感器捕捉 BPFI、BPFO、FTF、BSF 等轴承特征频率，采样频率应不少于 25.6kHz ，采用包络解调与希尔伯特变换结合的诊断算法，实现轴承故障分类识别精度 95% 以上。在热管理方面，轴承外圈温度要长期保持在 75℃以下，超出 85℃就要触发告警并记录运行状态，便于分析历史数据，预估剩余寿命。

（四）电流谐波导致发热的处理措施

要有效遏制 HXD3 型牵引电机运行时由谐波造成的发热状况，就需要从逆变器 PWM 改良、谐波滤波设计、电机绕组结构改善以及温升控制策略执行这四个层面加以处理。在 PWM调制方面，应选用特定谐波消除法（SHE-PWM）或者空间矢量调制（SVPWM）技术取代传统的 SPWM 方法。SHE-PWM 通过预先设定开关角 αi，可做到对 5、7、11 次谐波的有效消除。改进之后，在 MATLAB 仿真中基波输出电压的总谐波畸变率（THD）可被控制在 4.3% 以下，比传统方法低大约35个百分点。在硬件电路设计时，要在逆变器输出端安排LC或者LCL滤波器，滤波器的截止频率要达到主频的两倍以上，电感值 L⩾2mH ，电容 C 取 2μF ，就能做到高频谐波衰减20dB 以上，明显削减绕组铜损和铁损。在电机结构方面，定子铁心采用低损耗硅钢片，比如 35WW270，在 400Hz 频率下的铁损小于 3.2W/kg，这比传统材料性能优越很多。在槽口嵌线处加装电磁屏蔽带，以此来减弱高频电磁干扰。定子绕组可以采用多股并绕的形式降低集肤效应的影响。用涂覆绝缘层的并绕线来改善高频损耗的控制能力。针对温升的控制，要在电机上装设多点式的热电偶温控系统，对端部、槽中、铁心等关键部位实施即时的温度检测。每一个检测点的采样时间不能超过 1 秒。如果检测到的温度高于 135^qC ，就要转入限流模式控制，以免绝缘过热失效。为提高整体热管理能力，冷却系统需提高风压和流量参数。风冷风机流量不小于 1600m³/h ，风速大于 20m/s ，确保绕组和铁心之间对流传热系数维持在 45W/m²⋅K 以上，以控制由谐波发热引起的局部热点温度在安全范围内。

四、结束语

综上所述，牵引电机作为 HXD3 型电力机车的核心驱动部件，其运行状态直接关系到整车的牵引性能与运营安全。针对长期服役中频发的典型故障模式，需从源头设计到维护管理实施全过程干预，强化技术手段与装备支撑，实现对关键部件健康状态的实时感知与有效控制。随着高功率密度、高频 PWM 调制技术的广泛应用，对电机系统的设计精度和运行控制水平提出更高要求，持续推动故障机理研究与控制策略优化将是提升机车可靠性的关键方向。

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姓名：付永伟，出生年月 ：1996- 11，男，汉族，籍贯：山西省忻州市，所在单位：济南局集团公司济南西机务段，职称：助理工程师， 学历 ： 本科，研究方向：铁道机车运用。