Proceedings of Petersburg Transport University Proceedings of Petersburg Transport University Известия Петербургского университета путей сообщения 1815-588X 2658-6851 51164 10.20295/1815-588X-2022-19-2-242-248 Проблематика транспортных систем PROBLEMATIC OF TRANSPORT SYSTEM Проблематика транспортных систем Influence of Thermomechanical Workload on the Aging of Insulation of Traction Electric Motors of Diesel Locomotives Влияние термомеханической нагрузки на старение изоляции тяговых электродвигателей тепловозов Шрайбер Марина Александровна Shrayber Marina Aleksandrovna goshapti4ka@yandex.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I Россия Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University Russian Federation 22 06 2022 22 06 2022 19 2 242 248 22 06 2022 https://pgups.editorum.ru/en/nauka/article/51164/view

Цель: Рассмотреть задачу повышения надежности тяговых электрических машин. Выполнить оценку влияния термомеханических напряжений на срок службы изоляционного материала тяговых электродвигателей. Методы: Основным методом исследования и расчета температурных полей выбран метод конечных элементов, выполненный в программном пакете SolidWorks 2005. Результаты: Результаты показывают, что термомеханические напряжения играют значительную роль во время динамического термического старения системы изоляции обмотки статора. При динамическом изменении температуры изоляционная система испытывает повторяющиеся термомеханические нагрузки, поскольку коэффициенты теплового расширения изоляционных материалов и медных проводников различны. Практическая значимость: Выявлена необходимость дальнейшего изучения фактического теплового состояния электрических машин, которая позволит повысить точность определения температуры, предупредить возможный перегрев в эксплуатации, тем самым продлив ресурс тяговых двигателей, и снизить вероятность внезапных отказов. Разработанные методы определения теплового состояния электрических машин рекомендуются к практическому использованию.

Purpose: To consider the problem of increasing the reliability of traction electric machines. To assess the effect of thermomechanical stresses on the service lifetime of insulating material of traction electric motors. Methods: Finite element method, implemented in SolidWorks 2005 software package, was chosen as the main method for studying and calculating temperature fields. Results: The results show that thermomechanical stresses play a significant role during dynamic thermal aging of stator winding insulation system. With dynamic temperature changes, an insulation system experiences repeated thermomechanical stresses since the coefficients of thermal expansion of insulating materials and copper conductors are different. Practical importance: The need for further study of the actual thermal state of electrical machines has been identified which will allow to a rise temperature definition accuracy, to give a warning for possible overheating in operation by that extending traction motor lifetime and reducing sudden failure likelihood. The developed methods for determining electrical machine thermal state are recommended for practical use.

 тяговый электродвигатель локомотива тепловые процессы электрических машин locomotive traction motor thermal processes of electrical machines

Pan, T.-Y. Thermal cycling induced plastic deformation in solder joints-Part II: Accumulated deformation in through hole joints. IEEE Trans. Compon. Hybrids Manuf. Technol. 1991, 14, 824-832. Pan, T.-Y. Thermal cycling induced plastic deformation in solder joints-Part II: Accumulated deformation in through hole joints. IEEE Trans. Compon. Hybrids Manuf. Technol. 1991, 14, 824-832. Li, W.; Zhang, X. Thermal-mechanical failure and life analysis on CBGA package used for great scale FPGA chip. In Proceedings of the International Conference on Electronic Packaging Technology High Density Packaging, Beijing, China, 10-13 August 2009. Li, W.; Zhang, X. Thermal-mechanical failure and life analysis on CBGA package used for great scale FPGA chip. In Proceedings of the International Conference on Electronic Packaging Technology High Density Packaging, Beijing, China, 10-13 August 2009. Yuan, Q.; Endoh, R.; Ima, T.; Kajita, Y.; Luo, Y. Failure mode verification of power IGBT under different thermal stress application conditions in power cycling test environment. In Proceedings of the International Conference on Electronics Packaging and iMAPS All Asia Conference (ICEP-IAAC), Mie, Japan, 17-21 April 2018; pp. 367-370. Yuan, Q.; Endoh, R.; Ima, T.; Kajita, Y.; Luo, Y. Failure mode verification of power IGBT under different thermal stress application conditions in power cycling test environment. In Proceedings of the International Conference on Electronics Packaging and iMAPS All Asia Conference (ICEP-IAAC), Mie, Japan, 17-21 April 2018; pp. 367-370. Pedersen, K.B.; Pedersen, K. Dynamic modeling method of electro-thermo-mechanical degradation in IGBT modules. IEEE Trans. Power Electron. 2016, 31, 975-986. Pedersen, K.B.; Pedersen, K. Dynamic modeling method of electro-thermo-mechanical degradation in IGBT modules. IEEE Trans. Power Electron. 2016, 31, 975-986. Грищенко А.В., Шрайбер М.А. Термомеханические напряжения в изоляции тяговых электрических машин тепловозов. В сборнике: III Бетанкуровский международный инженерный форум. Сборник трудов в двух томах. Санкт-Петербург, 2021. С. 107-109. Grischenko A.V., Shrayber M.A. Termomehanicheskie napryazheniya v izolyacii tyagovyh elektricheskih mashin teplovozov. V sbornike: III Betankurovskiy mezhdunarodnyy inzhenernyy forum. Sbornik trudov v dvuh tomah. Sankt-Peterburg, 2021. S. 107-109. Грищенко А.В., Грачев В.В., Базилевский Ф.Ю., Шрайбер М.А. Экспериментальные исследования теплового состояния коллектора ТЭД. В сборнике: Локомотивы. Электрический транспорт. XXI век. Сборник материалов VI Международной научно-технической конференции. посвященной 90-летию со дня рождения доктора технических наук, профессора кафедры "Электрическая тяга" ПГУПС А.В. Плакса. 2018. С. 124-129. Grischenko A.V., Grachev V.V., Bazilevskiy F.Yu., Shrayber M.A. Eksperimental'nye issledovaniya teplovogo sostoyaniya kollektora TED. V sbornike: Lokomotivy. Elektricheskiy transport. XXI vek. Sbornik materialov VI Mezhdunarodnoy nauchno-tehnicheskoy konferencii. posvyaschennoy 90-letiyu so dnya rozhdeniya doktora tehnicheskih nauk, professora kafedry "Elektricheskaya tyaga" PGUPS A.V. Plaksa. 2018. S. 124-129. Chen W., Nelson C., Thermal stress in bonded joints, IBM Journal of Research and Development, vol. 23, no. 2, pp. 179-188 (1979). Chen W., Nelson C., Thermal stress in bonded joints, IBM Journal of Research and Development, vol. 23, no. 2, pp. 179-188 (1979). Voitto I.J. Kokko, Ageing Due to Thermal Cycling by Start and Stop Cycles in Lifetime Estimation of Hydroelectric Generator Stator Windings, IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), 2011 Voitto I.J. Kokko, Ageing Due to Thermal Cycling by Start and Stop Cycles in Lifetime Estimation of Hydroelectric Generator Stator Windings, IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), 2011 Dakin T.W., Electrical insulation deterioration treated as a chemical rate phenomenon, Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, vol. 67, no. 1, pp. 113-122 (1998). Dakin T.W., Electrical insulation deterioration treated as a chemical rate phenomenon, Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, vol. 67, no. 1, pp. 113-122 (1998).