Підвищення ефективності охолодження тягових двигунів електровозів

UKR: Об’єкт дослідження – процеси формування теплового режиму та повітря-ного охолодження тягових електричних двигунів електровозів у реальних умовах експлуатації. Метою роботи є підвищення ефективності системи охолодження тягових електродвигунів шляхом аналізу причин їх перегріву, дослідження теплових і аеродинамічних процесів у внутрішніх порожнинах двигуна та обґрунтування технічних рішень, спрямованих на зниження температурних перевантажень і підвищення експлуатаційної надійності електричних машин. Для досягнення поставленої мети у роботі використано аналітичні, розрахункові та чисельні методи дослідження. Проведено аналіз статистики відмов тягових електродвигунів, що дозволило встановити визначальну роль перегріву обмоток якоря та полюсів у зниженні їх надійності. Для дослідження теплових і вентиляційних процесів побудовано детальну тривимірну модель тягового електродвигуна в середовищі САПР SolidWorks. Подальший аналіз виконано з використанням CAE-пакета SolidWorks Flow Simulation на основі методів обчислювальної гідродинаміки (CFD), із застосуванням рівнянь Нав’є-Стокса, енергетичного балансу та критеріїв подібності теплообміну. Одержані результати показали, що традиційні схеми вентиляції не забезпечують рівномірного тепловідведення та призводять до локальних перегрівів обмоток. Найбільш ефективним виявився варіант із використанням одного впускного та двох випускних отворів у поєднанні зі збільшенням витрати охолоджувального повітря та швидкості обертання вентилятора, що дозволило знизи-ти максимальну температуру обмотки головного полюса та температуру повітря в зоні лобових частин обмотки якоря до допустимих значень. Запропоновані технічні рішення можуть бути використані під час модернізації систем вентиляції тягових електродвигунів і сприяють підвищенню їх ресурсу та надійності.

ENG: The object of research is the processes of thermal regime formation and air cooling of electric traction motors of electric locomotives in real operating conditions. The aim of the work is to improve the efficiency of the traction electric motor cooling system by analysing the causes of their overheating, studying thermal and aerodynamic processes in the internal cavities of the motor, and substantiating technical solutions aimed at reducing temperature overloads and increasing the operational reliability of electric machines. To achieve this goal, analytical, computational and numerical research methods were used in the work. An analysis of traction electric motor failure statistics was carried out, which made it possible to establish the decisive role of armature and pole winding overheating in reducing their reliability. To study thermal and ventilation processes, a detailed three-dimensional model of a traction electric motor was constructed in the SolidWorks CAD environment. Further analysis was performed using the SolidWorks Flow Simulation CAE package based on computational fluid dynamics (CFD) methods, applying Navier-Stokes equations, energy balance and heat transfer similarity criteria. The results showed that traditional ventilation schemes do not provide uniform heat dissipation and lead to local overheating of the windings. The most effective option was to use one inlet and two outlet openings in combination with an increase in the cooling air flow rate and fan rotation speed, which made it possible to reduce the maximum temperature of the main pole winding and the air temperature in the area of the front parts of the armature winding to acceptable values. The proposed technical solutions can be used during the modernisation of traction electric motor ventilation systems and contribute to increasing their service life and reliability.