Analysis of operating conditions and modes of locomotive traction motors
DOI:
https://doi.org/10.18664/ikszt.v30i4.351425Ключові слова:
traction motor, locomotive, heating temperature, cooling, insulation, vibrations, operating modes, electric machine, electromagnetic interference, cloud technologiesАнотація
Traction motors are a key element of locomotive drive systems, the safety and efficiency of transportation depend on the reliability and stability of their operation. Under intensive operating conditions, motors are exposed to variable mechanical, electrical and thermal loads. Additionally, their operation is affected by environmental factors – temperature, humidity, dust, vibrations. An important component of increasing efficiency is the implementation of modern methods of diagnosing, monitoring and predicting the condition of motors using the Internet of Things and cloud computing. The object of research is the physical processes that occur in locomotive traction motors during their operation in different modes and under different operating conditions. The article analyzes the conditions and operating modes of locomotive traction motors with detailed consideration of the influence of temperature conditions, insulation quality, load modes, operating conditions, electromagnetic interference, and modern cloud monitoring technologies. The features of thermal processes in windings, methods of monitoring the condition of insulation and diagnostics, as well as the implementation of remote monitoring systems are considered. The need for a comprehensive approach to assessing the technical condition of traction motors, based on a combination of traditional control methods with the analytical capabilities of cloud services, is substantiated. The results of the analysis showed that the efficiency and reliability of locomotive traction motors are significantly influenced by external factors. The greatest threats are climatic conditions, electricity quality, vibration levels, electromagnetic interference, and maintenance organization. Their negative impact can be reduced by using modern diagnostic monitoring systems. This, in turn, will help increase motors efficiency, reduce operating costs, and extend the service life of locomotives.
Посилання
Nategh S., Boglietti A., Liu Y., Barber D., Brammer R., Lindberg D. A review on different aspects of traction motor design for railway applications. IEEE Transactions on Industry Applications. 2020. Vol. 56, Iss. 3. P. 2148–2157. https://doi.org/10.1109/TIA.2020.2968414.
Paul S., Han P.-W., Chang J., Chun Y.-D., Lee J.-G. State-of-the-art review of railway traction motors for distributed traction considering South Korean high-speed railway. Energy Reports. 2022. Vol. 8. P. 14623–14642. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.10.411.
Панченко С. В., Бабаєв М. М., Блиндюк В. С., Нерубацький В. П. Конструкція та динаміка електричного рухомого складу: підручник. Харків: УкрДУЗТ, 2018. Ч. 1. 280 с.
Garczarek A., Stachowiak D. Measurements and analysis of electromagnetic compatibility of railway rolling stock with train detection systems using track circuits. Energies. 2025. Vol. 18, Iss. 11. 2705. https://doi.org/10.3390/en18112705.
Afanasov A. M. Regulation of unbalanced electromagnetic moment in mutual loading systems of electric machines of traction rolling stock and multiple unit of mainline and industrial transport. Science and Transport Progress. 2014. No. 6(54). P. 70–77.https://doi.org/10.15802/stp2014/32965.
Spiryagin M., Wolfs P., Cole C., Spiryagin V., Sun Y. Q., McSweeney T. Design and simulation of heavy haul locomotives and trains. CRC Press, 2016. 477 p.
Nеrubаtskyі V. P. Investigation of the influence of external factors on the efficiency of locomotive traction motors. Матеріали XIII Міжнар. наук.-практ. конф. «Людина, суспільство, комунікативні технології» (Харків, УкрДУЗТ, 24–25 жовтня 2025 р.). Харків: УкрДУЗТ, 2025. С. 217.
Стадній О. Ю., Васюра А. С., Дорощенков Г. Д. Аварійні ситуації в роботі асинхронних двигунів, заходи та засоби їх запобігання. Оптико-електронні пристрої та компоненти в лазерних і енергетичних технологіях. 2019. Т. 37, № 1. C. 109–115. https://doi.org/10.31649/1681-7893-2019-37-1-109-115.
Gronwald P.-O., Kern T. A. Traction motor cooling systems: A literature review and comparative study. IEEE Transactions on Transportation Electrification. 2021. Vol. 7, Iss. 4. P. 2892–2913. https://doi.org/10.1109/TTE.2021.3075844.
Wang X., Li B., Gerada D., Huang K., Stone I., Worrall S., Yan Y. A critical review on thermal management technologies for motors in electric cars. Applied Thermal Engineering. 2022. Vol. 201, Part A.117758. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2021.117758.
Roy P., Towhidi M., Ahmed F., Bourgault A. J., Mukandan S., Balamurali A. A comprehensive review of thermal design and analysis of traction motors. 2019 IEEE 28th International Symposium on Industrial Electronics (ISIE). 2019. https://doi.org/10.1109/ISIE.2019.8781230.
Goolak S., Tkachenko V., Šťastniak P., Sapronova S., Liubarskyi B. (2022). Analysis of control methods for the traction drive of an alternating current electric locomotive. Symmetry. 2022. Vol. 14, Iss. 1. 150. https://doi.org/10.3390/sym14010150.
Liubarskyi B., Petrenko А., Shaida V., Maslii A. Analysis of optimal operating modes of the induction traction drives for establishing a control algorithm over a semiconductor transducer. EasternEuropean Journal of Enterprise Technologies. 2017. Vol. 4, No. 8(88). P. 65–72. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.109179.
Nerubatskyi V. P., Hordiienko D. A. Determination of additional thermal losses from higher harmonics in AC motors windings. Тези стендових доповідей та виступів учасників 34-ї Міжнар. наук.-практ. конф. «Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті» (Харків, УкрДУЗТ, 29 жовтня 2021 р.). Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. 2021. № 3 (додаток). С. 18–19.
Nerubatskyi V. P., Hordiienko D. A. Method of determining additional thermal losses in the windings of electric motors. Матеріали Міжнар. наук.-практ. конф. «Інноваційні технології в світлотехніці та електроенергетиці» (Харків, ХНУМГ імені О. М. Бекетова, 16–17 травня 2024 р.). Харків: ХНУМГ імені О. М. Бекетова, 2024. С. 68–69.
Khomenko I. V., Nerubatskyi V. P., Plakhtii O. А., Hordiienko D. A., Shelest D. A. Research and calculation of the levels of higher harmonics of rotary electric machines in active-adaptive networks. 4th International Conference on Sustainable Futures: Environmental, Technological, Social and Economic Matters (ICSF-2023). IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2023. Vol. 1254. 012040. P. 1– 15. DOI: 10.1088/1755-1315/1254/1/012040.
Нерубацький В., Хоменко І., Гордієнко Д. Дослідження та розрахунок рівнів вищих гармонік обертальних електричних машин в активноадаптивних мережах. Матеріали тез доповідей IV всеукр. наук.-техн. інтернет-конф. «Інноваційні технології розвитку машинобудування та ефективного функціонування транспортних систем» (Рівне, НУВГП, 26–27 квітня 2023 р.). Рівне: НУВГП, 2023. С. 131–134.
Hemsen J., Eckstein L. A thermal model for the comparison of cooling concepts of synchronous machines for traction applications. SAE Technical Paper. 2022. 2022-24-0005. https://doi.org/10.4271/2022-24-0005.
Grishchenko A. V. Shrajber M. A. Simulation of thermal processes in asynchronous traction electric motor of a locomotive. Journal of Physics: Conference Series. 2021. Vol. 2131. 042088. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2131/4/042088.
Shrajber M. A. Thermal calculations of asynchronous traction engines of diesel locomotives. In Proceedings of the 1st International Scientific and Practical Conference on Transport: Logistics, Construction, Maintenance, Management (TLC2M 2022). 2022. P. 120–123. https://doi.org/10.5220/0011580000003527.
Nategh S., Zhang H., Wallmark O., Boglietti A., Nassen T., Bazant M. Transient thermal modeling and analysis of railway traction motors. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2019. Vol. 66, Iss. 1. P. 79–89. https://doi.org/10.1109/TIE.2018.2821619.
Manafov E. K., Huseynov F. H. Modeling of an integrated traction motor protection system. Science and Transport Progress. 2024. No 1(105). P. 51–61. https://doi.org/10.15802/stp2024/303181.
Manafov E. K., Guliyev H. B., Huseynov F. H. Real-time assessment of the technical condition of traction motors using machine learning and IoT technologies. Наука та прогрес транспорту. 2025. № 2 (110). C. 50–64. https://doi.org/10.15802/stp2025/331096.
Nategh S., Lindberg D., Brammer R., Boglietti A., Aglen O. Review and trends in traction motor design: electromagnetic and cooling system layouts. 2018 XIII International Conference on Electrical Machines (ICEM). 2018.https://doi.org/10.1109/ICELMACH.2018.8506817.
Chang H., Yu X. M., Qu X., Liu Y. J. Measure and study on heat balance of engine. Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 563. P. 149–152. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.563.149.
Петренко О. М., Любарський Б. Г. Оптимізація режимів роботи охолодження тягового двигуна електровоза. Системи управління, навігації та зв’язку. Збірник наукових праць. 2017. Т. 6, № 46. С. 251–254.
Shrajber M. Fatigue aging of insulation of traction motors of diesel locomotives. E3S Web of Conferences. 2023. Vol. 383. 01011. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202338301011.
Shrayber M. Investigation of fatigue aging of insulation of traction electric motors of diesel locomotives under cyclic load. Bulletin of scientific research results. 2023. No. 4. P. 27–35. https://doi.org/10.20295/2223-9987-2023-4-27-35.
Zhang J., Wang J., Li H., Zhang Q., He X., Meng C., Huang X., Fang Y., Wu J. A review of reliability assessment and lifetime prediction methods for electrical machine insulation under thermal aging. Energies. 2025. Vol. 18, Iss. 3. 576. https://doi.org/10.3390/en18030576.
Wang B., Liu Y., Yang S., Liao Y., Wang M. Characteristics analysis on bearing rotor system of highspeed train with track irregularity. Mechanical Systems and Signal Processing. 2024. Vol. 221. 111674. DOI: 10.1016/j.ymssp.2024.111674.
Wang P., Yang Y., Ma H., Xu H., Li X., Luo Z., Wen B. Vibration characteristics of rotor-bearing system with angular misalignment and cage fracture: Simulation and experiment. Mechanical Systems and Signal Processing. 2023. Vol. 182. 109545. DOI: 10.1016/j.ymssp.2022.109545.
Finley W., Loutfi M., Sauer B. J. Motor vibration problems – Understanding and identifying. 2013 IEEE-IAS/PCA Cement Industry Technical Conference. 2013. DOI: 10.1109/CITCON.2013.6525282.
Wu P., Song C., Wang X., Qu S., Wu H. Vibration analysis of traction drive system components based on the field test for high-speed train. Journal of Advanced Transportation. 2023. Vol. 2023. 6682699. https://doi.org/10.1155/2023/6682699.
Mao L., Wang W., Liu Z., Yang G., Song C., Qu S. Research on causes of fatigue cracking in the motor hangers of high-speed trains induced by current fluctuation. Engineering Failure Analysis. 2021. Vol. 127. 105508. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2021.105508.
Sathyan S., Belahcen A., Lehikoinen A., Aydin U., Boxberg F. Investigation of the causes behind the vibrations of a high-speed solid-rotor induction motor. Journal of Sound and Vibration. 2019. Vol. 463. 114976. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2019.114976.
Голощапов С. С., Колебанов О. К. Взаємозв’язок навантажувальних режимів роботи асинхронного електроприводу. Вчені записки ТНУ імені В. І. Вернадського. Серія: Технічні науки. 2023. Т. 34 (73), № 2. С. 26–30. https://doi.org/10.32782/2663-5941/2023.2.1/05.
Єнікєєв О., Куц Ю., Ткаченко А., Щербак Л. Фазовий метод виявлення обривів в статорних обмотках асинхронних двигунів. Системні дослідження в енергетиці. 2024. Вип. 4 (80). С. 98–109. https://doi.org/10.15407/srenergy2024.04.098.
Охріменко В. М. Споживачі електричної енергії : підручник. Харків: ХНУМГ імені О. М. Бекетова, 2019. 286 с.
Нерубацький В. П., Плахтій О. А., Гордієнко Д. А. Розробка тривимірної моделі системи «рама візка – тягові електродвигуни» для електровоза ЧС4 за допомогою програмного продукту Solidworks. Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. 2018. № 4. С. 21–29. DOI: 10.18664/ikszt.v0i4.141926.
Nerubatskyi V. P., Hordiienko D. A. Increasing energy efficiency of asynchronous electric drive by optimization of switching frequency in frequency converter. Reports of the IХ International ScientificPractical Conference «A Person, a Society, Communicative Technologies» (Kharkiv, USURT, October 21–22, 2021). Kharkiv: TOV «Disa plyus», 2021. P. 320–324.
Plakhtii O., Nerubatskyi V., Hordiienko D., Sushko D., Syniavskyi A., Shelest D. Thermal-powerloss approximation method for determination of efficiency in semiconductor devices. 2022 IEEE 41st International Conference on Electronics and Nanotechnology (ELNANO). Proceedings. 2022. P. 456–461. DOI: 10.1109/ELNANO54667.2022.9926756.
Nerubatskyi V. P., Plakhtii O. А., Hordiienko D. A. Scientific foundations of higher energy efficiency and electromagnetic compatibility of semiconductor electric energy converters: monograph. Kharkiv: Publisher Machulin L., 2023. 220 p. ISBN 978-617-8195-29-8.
Jamilov S., Ergashev O., Abduvaxobov M., Azimov S., Abdurasulov S. Improving the temperature resistance of traction electric motors using a microprocessor control system for modern locomotives. V International Scientific Conference «Construction Mechanics, Hydraulics and Water Resources Engineering» (CONMECHYDRO – 2023). E3S Web of Conf. 2023. Vol. 401. 03030. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202340103030.
Дослідження системи керування пристрою плавного пуску асинхронного двигуна / О. А. Плахтій, В. П. Нерубацький, Д. А. Гордієнко. Зб. наук. праць Укр. держ. ун-ту залізнич. трансп. 2022. Вип. 202. С. 62–77. DOI: 10.18664/1994-7852.202.2022.273622.
Щербак Я. В., Нерубацький В. П., Івакіна К. Я. Мікросхемотехніка електромеханотронних систем: підручник / за заг. ред. Я. В. Щербака. Харків: Видавець Мачулін Л. І., 2024. 260 с.
Kornaszewski M. Microprocessor technology and programmable logic controllers in new generation railway traffic control and management systems. Archives of Transport System Telematics. 2018. Vol. 11, Iss. 2. P. 18–23.
Feng J., Xu J., Liao W., Liu Y. Review on the traction system sensor technology of a rail transit train. Sensors. 2017. Vol. 17, Iss. 6. 1356. https://doi.org/10.3390/s17061356.
Fan Y., Zhang L., Li K. EMI and IEMI impacts on the radio communication network of electrified railway systems: A critical review. IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2023. Vol. 72, Iss. 8. P. 10409–10424. https://doi.org/10.1109/TVT.2023.3260582.
Plаkhtіі О., Nerubatskyi V., Hordiienko D. Improvement of electromagnetic compatibility in power converters of electric rolling stock. Зб. тез доп. Міжнар. наук.-практ. конф. «Енергетичні установки та альтернативні джерела енергії» (Харків, ХНАДУ, 11–12 березня 2024 р.). Харків: ФОП Бровін О. В., 2024. С. 48–49.
Nerubatskyi V., Hordiienko D. Analysis of modern technological possibilities for information transmission in railway rolling stock. Матеріали Міжнар. наук.-техн. конф. «Автоматика, комп’ютерно-інтегровані технології та проблеми енергоефективності в промисловості і сільському господарстві» (Кропивницький, ЦНТУ, 10–11 листопада 2022 р.). Кропивницький: ПП «ЕксклюзивСистем», 2022. С. 184–185.
Laiton-Bonadiez C., Branch-Bedoya J. W., Zapata-Cortes J., Paipa-Sanabria E., Arango-Serna M. Industry 4.0 technologies applied to the rail transportation industry: A systematic review. Sensors. 2022. Vol. 22, Iss. 7. 2491. https://doi.org/10.3390/s22072491.
Nerubatskyi V. P., Hordiienko D. A., Philipjeva M. V. Prospects for the application of satellite navigation technologies in railway transport. Тези стендових доповідей та виступів учасників 35-ї Міжнар. наук.-практ. конф. «Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті» (Харків, УкрДУЗТ, 11 листопада 2022 р.). Інформаційнокеруючі системи на залізничному транспорті. 2022. № 3 (додаток). С. 26–27.
Nerubatskyi V. P., Hordiienko D. A. Application of fiber-optic sensors in traffic control systems of rolling stock. Матеріали 19-ї Міжнар. наук.-практ. конф. «Міжнародна транспортна інфраструктура, індустріальні центри та корпоративна логістика» (Харків, УкрДУЗТ, 1–2 червня 2023 р.). Харків: УкрДУЗТ, 2023. С. 91–93.
Gozali A. A., Ruriawan M. F., Alamsyah A., Purwanto Y., Romadhony A., Wijaya F. P., Nugroho F., Husna D. N., Kridanto A., Fakhrudin A., Itqon M., Widiyanesti S. Smart train control and monitoring system with predictive maintenance and secure communications features. Transportation Research Interdisciplinary Perspectives. 2025. Vol. 31. 101409. https://doi.org/10.1016/j.trip.2025.101409.
Kunthong J., Sapaklom T., Konghirun M., Prapanavarat C., Ayudhya P. N. N., Mujjalinvimut E. IoT-based traction motor drive condition monitoring in electric vehicles: Part 1. 2017 IEEE 12th International Conference on Power Electronics and Drive Systems (PEDS). 2017. https://doi.org/10.1109/PEDS.2017.8289143.
Chu W., Wuniri Q., Du X., Xiong Q., Huang T., Li K. Cloud control system architectures, technologies and applications on intelligent and connected vehicles: a review. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2021. Vol. 34. 139. https://doi.org/10.1186/s10033-021-00638-4.
Chougule S. B., Chaudhari B. S., Ghorpade S. N., Zennaro M. Exploring computing paradigms for electric vehicles: from cloud to edge intelligence, challenges and future directions. World Electric Vehicle Journal. 2024. Vol. 15, Iss. 2. 39. https://doi.org/10.3390/wevj15020039.
Yang H., Wang C., Zhang K., Dong S. Endedge-cloud collaborative learning-aided prediction for high-speed train operation using LSTM. Transportation Research Part C: Emerging Technologies. 2024. Vol. 160. 104527. https://doi.org/10.1016/j.trc.2024.104527.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
