芯式电磁结构！高铁车载牵引变压器轻量化设计的新方法

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随着我国高速铁路机车牵引功率的快速增加，综合考虑效率、电磁参数、绝缘性能和散热等问题的牵引变压器轻量化设计需求日渐突出。中国科学院电工研究所电力设备新技术实验室、中国科学院大学、湖南大学电气信息与工程学院的研究人员温志伟、熊斌、程自然，在2021年《电工技术学报》增刊2上撰文，基于液体冷却的强化换热和冷却系统的绝缘设计，提出一种高铁车载牵引变压器的芯式电磁结构，为高速铁路车载牵引变压器的轻量化设计和优化提供了一种行之有效的方法。

近年来，我国高速动车和相关装备制造产业链的快速发展使得高铁关键技术及核心零部件的创新研究需求迫切，技术创新、成本可控对我国在该领域保持领先并持续占据制高点具有重大的战略意义。

牵引变压器作为高速动车组牵引传动系统中的核心装备。随着高速动车组技术的不断发展，整车对于各部件的技术指标的需求不断提升，促使牵引变压器不断朝着轻量化方向发展。“复兴号”牵引变压器功率密度已高达0.99kV∙A/kg，较上一代技术提升近1倍，且基本达到国际目前最高水平（1.0kV∙A/kg）。牵引变压器减重可大幅提升列车整体技术经济性，因此，新型轻量化牵引变压器是高铁配套重大装备突破的重要方向之一。

中国科学院电工研究所等单位研究的牵引变压器电磁结构设计方案以新型强化换热原理为基础，取消目前使用的具有一定潜在风险的可燃性变压器绝缘油，通过提升工质冷却能力实现提高功率密度和结构紧凑度。

由于牵引变压器采用紧凑体积结构时，损耗的增加不仅需要解决散热问题，绝缘设计也更为困难。而牵引变压器的电磁结构参数也会影响变压器运行效率和控制变频器的工作特性，因此，在牵引变压器设计时需要综合考虑变压器的效率损耗、散热、绝缘和电抗参数等问题，在将轻量化作为主要设计目标时，由于与其他设计参数之间会存在一定冲突，因此不能同时达到最优设计，所以牵引变压器轻量化设计本质上是一个具有复杂约束条件的优化问题。

牵引变压器设计在满足绝缘和散热要求的条件下，要考虑减少损耗，控制电抗参数大小。变压器电磁性能求解主要采用有限元法和解析法。有限元法计算精度高，易于处理复杂结构，但精细的网格剖分在提高精度的同时也导致计算速度较慢。而在牵引变压器初始设计阶段和进行优化分析时采用解析计算方法可以更清晰地描述结构设计参数与电磁性能的关系，具有解析速度快、计算量小等优点。

中国科学院电工研究所等单位设计的牵引变压器本体布置于动车组车底，空气冷凝器安装于车顶，并通过位于车体两侧夹层内的管道将牵引变压器箱体与冷凝器连通，实现冷却系统工质的密闭循环，如图1所示。

图1 牵引变压器结构布置

中国科学院电工研究所等单位的科研人员基于液体冷却的强化换热和冷却系统的绝缘设计，提出了一种高铁车载牵引变压器的芯式电磁结构。变压器绕组采用饼式线圈，其间设计有液体冷却工质流动通道。

图2 牵引变压器电磁结构

他们在变压器解析设计方法的基础上，以高、低压绕组匝数、铁心直径和工作磁通密度作为优化参数，采用遗传算法进行优化，实现了轻量化设计，并研制了一台900kV•A采用非油类液体强化冷却的牵引变压器原理样机。

图3 牵引变压器样机结构

图4 试验装置

数值仿真和试验测试表明，铁心部分对整机轻量化目标的实现有显著影响，提高铁心工作磁通密度、绕组工作电流密度和强化冷却可以有效降低变压器整体质量。本研究成果为高速铁路车载牵引变压器的轻量化设计和优化提供了一种行之有效的方法。

本文编自2021年《电工技术学报》增刊2，论文标题为“强化液冷牵引变压器电磁结构设计及优化”，作者为温志伟、熊斌 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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