CN112564358B - 交流牵引电机转子齿部轴向通风槽的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种交流牵引电机转子齿部轴向通风槽的设计方法，所述轴向通风槽开于交流牵引电机转子齿部，通过数学拟合的方式求得不同宽度下的转子端环平均温度与定子绕组平均温度，并对该温度进行散热效果分析，从而得到轴向通风槽最优宽度。此结构的优点在于：将通风槽开设于电机运行中温升最高的转子齿部，能大幅提升转子齿部的通风散热效果，使电机转子尤其是其齿部和端环的温度明显降低，从而能显著减少因温升过高而引起转子断条等故障的产生，达到有效提高电机运行寿命与可靠性的目的。

Description

交流牵引电机转子齿部轴向通风槽的设计方法
技术领域
本发明涉及交流牵引电机通风结构设计领域，具体涉及一种交流牵引电机转子齿部轴向通风槽。
背景技术
交流牵引电机因具有结构简单、成本低、维护方便等优点而得到了广泛应用。然而随着交流牵引电机功率密度的不断提高，其运行时产生的单位体积损耗也随之不断增加，由此将造成电机温升不断提高。如果电机温升过高，则可能会引起电机转子导条断裂、绕组绝缘损坏等故障，因此针对交流牵引电机通风结构进行优化设计以降低其温升将具有重要意义。
交流牵引电机转子齿部与端环为整个电机温升的最高部位，为了降低其温升，一般都在转子上开有轴向通风槽。然而目前其轴向通风槽一般开在转子齿部与转子轴之间，距离转子齿部仍有一定的距离，因而降低了其降温效果；显然若将其通风槽开在越靠近转子齿部，则越有利于其对流换热，因而越有利于降低其转子齿部的温升。然而由于转子齿部磁通密度较大，如果将通风槽开在转子齿部将会对电机定子铜耗产生一定的影响，且随通风槽宽度尺寸的增加，其影响也将越大；但增加通风槽的宽度尺寸，又有利于降低其转子齿部的温升；因而如何确定其转子齿部轴向通风槽的最佳位置与形状，并研究确定相应的最佳宽度尺寸，以尽量降低对其定子铜耗的影响，提高转子齿部的降温效果，对于提高电机的运行寿命与可靠性将具有重要的意义。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种交流牵引电机转子齿部轴向通风槽的设计方法，采用该设计方法设计而得的通风槽可根据不同型号转子的尺寸得到不同的通风槽设计参数，通过该通风槽，可有效降低交流牵引电机转子的温度。
交流牵引电机转子齿部轴向通风槽的设计方法，其中，所述轴向通风槽开于交流牵引电机转子齿部，所述轴向通风槽为矩形截面，所述矩形截面的中心线与其所在转子齿部的中心线重合；所述矩形截面的最佳宽度尺寸确定步骤如下：
步骤(1)在矩形截面宽度取值范围内任取若干个宽度值，并根据电机其它相关参数建立其分析模型；
步骤(2)针对步骤(1)所得分析模型进行共轭传热分析，得到其对应的转子端环平均温度与定子绕组平均温度；
步骤(3)针对步骤(2)所得温度数据及宽度值采用数值拟合方法进行拟合，得到转子端环平均温度和定子绕组平均温度与转子齿部轴向通风槽宽度间的函数关系式；
步骤(4)根据步骤(3)所得转子端环平均温度和定子绕组平均温度的函数关系式，构建散热效果评价函数；
步骤(5)通过计算散热效果评价函数的最小值，获得相应的转子齿部轴向通风槽的宽度值，该宽度值即为转子齿部轴向通风槽的最佳宽度尺寸。
优选地，步骤(1)中的宽度值呈等差数列选取。
优选地，步骤(1)中所述矩形截面宽度取值范围大于0，并小于转子齿部宽度。
优选地，步骤(3)中所得转子端环平均温度和定子绕组平均温度与转子齿部轴向通风槽宽度间的函数关系式，具体为：
转子端环平均温度与转子齿部轴向通风槽宽度间的函数关系式：
u(x)＝a1x3+a2x2+a3x+a4 (1)
式中：x为转子齿部轴向通风槽的宽度，a1-a4为系数，根据电机参数的不同而不同，由计算机数值拟合后自动求出；
定子绕组平均温度与转子齿部轴向通风槽宽度间的函数关系式：
v(x)＝b1x3+b2x2+b3x+b4 (2)
式中：x为转子齿部轴向通风槽的宽度，b1-b4为系数，根据电机参数的不同而不同，由计算机数值拟合后自动求出。
优选地，步骤(4)中构建的散热效果评价函数具体为：
Figure GDA0002900059720000031
式中：F(x)为散热效果评价函数，c、d分别为转子端环平均温度和定子绕组平均温度的权重系数，可根据需求进行设定，且0＜c＜d＜1，c+d＝1。
优选地，所述轴向通风槽开于转子的每个齿部，所述矩形截面的长边平行于转子齿部中心线，矩形截面中心位于转子齿部中心线上。
优选地，所述交流牵引电机转子齿部轴向通风槽，所述轴向通风槽矩形截面上边线与转子齿冠的下边线对齐，矩形截面下边线与转子齿部下边线对齐。
与交流牵引电机转子现有通风槽结构相比，本发明针对其转子齿部提出一种新型的轴向通风槽结构，该通风槽为矩形截面，其矩形截面的长边平行于转子齿部中心线，截面中心位于转子齿部中心线上，矩形截面的上边线与转子齿冠的下边线对齐，矩形截面的下边线与转子齿部的下边线对齐，通过对矩形截面的最佳宽度尺寸进行设计，从而达到按需衡量转子端环平均温度和定子绕组平均温度后使用人想要的最佳散热效果。
本发明的优势在于：将通风槽开设于电机运行中温升最高的转子齿部，能大幅提升电机转子齿部的通风散热效果，使电机转子尤其是其齿部和端环的温度明显降低，从而能显著减少因温升过高而引起转子断条等故障的发生，因而可有效提高电机的运行寿命与可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的交流牵引电机转子齿部轴向通风槽矩形截面示意图；
图2为转子齿部轴向通风槽矩形截面最佳宽度尺寸确定方法流程图；
表1为本发明实施例提供的某型号交流牵引电机主要结构参数表；
表2为本发明实施例提供的根据某型号交流牵引电机所得其转子齿部轴向通风槽不同宽度与相应的转子端环平均温度和定子绕组平均温度数据表；
表3为本发明实施例提供的某型号交流牵引电机优选组与对照组的通风槽形状、结构参数以及相应的转子端环平均温度和定子绕组平均温度数据表。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
请参考图1，图1为本发明实施例提供的交流牵引电机转子齿部轴向通风槽矩形截面示意图。图中：x为通风槽矩形截面的宽度，y为通风槽矩形截面的长度，竖直虚线为转子齿部中心线，L为垂直于转子齿部中心线的转子外圆切线，矩形截面上边线AB与转子齿冠下边线EF重合，矩形截面下边线CD与转子齿部下边线GH重合。请参见图2，图2为转子齿部轴向通风槽矩形截面最佳宽度尺寸确定方法流程图，具体步骤如下：
(a)在矩形截面宽度取值范围内任取若干个宽度值，并根据电机其它相关参数(如定子外径、转子外径、定子槽数、转子齿部宽度、转子齿冠厚度等)建立其分析模型。
(b)针对步骤(a)所得分析模型进行共轭传热分析，得到其对应的转子端环平均温度与定子绕组平均温度。
(c)针对步骤(b)所得各温度数据及其相应的截面宽度值，采用数值拟合方法得到转子端环平均温度和定子绕组平均温度与转子齿部轴向通风槽宽度间的函数关系式，具体为：
转子端环平均温度与转子齿部轴向通风槽宽度间的函数关系式：
u(x)＝a1x3+a2x2+a3x+a4 (1)
式中：x为转子齿部轴向通风槽的宽度，a1-a4为系数，根据电机参数的不同而不同，由计算机数值拟合后自动求出；
定子绕组平均温度与转子齿部轴向通风槽宽度间的函数关系式：
v(x)＝b1x3+b2x2+b3x+b4 (2)
式中：x为转子齿部轴向通风槽的宽度，b1-b4为系数，根据电机参数的不同而不同，由计算机数值拟合后自动求出。
(d)根据式(1)与式(2)，构建散热效果评价函数，其具体表达式如下：
Figure GDA0002900059720000051
式中：F(x)为散热效果评价函数，c、d分别为转子端环平均温度和定子绕组平均温度的权重系数，可根据需求自行设定，且0＜c＜d＜1，c+d＝1。
(e)通过计算散热效果评价函数的最小值，获得相应的转子齿部轴向通风槽的宽度值x，该宽度值即为转子齿部轴向通风槽的最佳宽度尺寸。
具体地，本发明以某型号交流牵引电机为例(该交流牵引电机主要结构参数如表1所示：
表1
Figure GDA0002900059720000052
表中，转子齿部宽度即对应图1中EF边的长度，转子齿部长度即对应图1中从GH边到切线L的距离，转子齿冠厚度即对应图1中从EF边到切线L的距离)，对其转子齿部轴向通风槽矩形截面最佳宽度尺寸进行计算，步骤如下：
步骤1，设定转子齿部轴向通风槽的初始宽度值为0，即首先分析转子齿部不开通风槽的情况，并根据电机其它相关参数，采用Solidworks软件建立其分析模型；
步骤2：针对步骤1所得分析模型，采用CFX软件进行共轭传热分析，得到其对应的转子端环平均温度与定子绕组平均温度；
步骤3：在初始宽度值为0的基础上，按0.5mm间距逐步增加矩形截面宽度值，同时根据表1所示参数，得矩形截面的长度值为22.96mm，电机其它相关参数保持不变，根据步骤2相同方法进行共轭传热分析，由此得到若干组转子端环平均温度与定子绕组平均温度数据，如表2所示；
表2
Figure GDA0002900059720000061
步骤4：根据表2所得各截面宽度与相应的温度数据，采用数值拟合方法分别得到转子端环平均温度和定子绕组平均温度与转子齿部轴向通风槽宽度间的函数关系式，具体如下：
转子端环平均温度与转子齿部轴向通风槽宽度间的函数关系式：
u(x)＝0.5644x3-1.483x2-4.503x+102.4 (1’)
定子绕组平均温度与转子齿部轴向通风槽宽度间的函数关系式：
v(x)＝0.3156x3-0.2962x2-0.5294x+92.81 (2’)
步骤5：根据式(1’)与式(2’)，按照一定侧重程度设计转子端环平均温度或定子绕组平均温度的权重系数(按照c+d＝1计算)，并令权重系数分别为c＝0.25、d＝0.75(本实施例中设置转子端环平均温度权重值为0.25，设置定子绕组平均温度权重值为0.75)，得到相应的散热效果评价函数，具体为：
Figure GDA0002900059720000071
步骤6：首先求解式(3’)中的不等式，得到通风槽宽度x的取值范围为0＜x≤1.809。然后令F(x)的导函数为0，得到F(x)极值点为：x1＝1.795，x2＝-0.749；其中x2＝-0.749不满足要求，因此取x1＝1.795为转子齿部轴向通风槽的最佳宽度尺寸，此时散热效果评价函数F(x)取最小值。
数据对比
将x＝1.795分别带入式(1’)与式(2’)，得到此时电机的转子端环平均温度为92.79℃，定子绕组温度为92.73℃(下称优选组)。
如上所述，传统交流牵引电机转子轴向通风槽一般开在转子齿部与转子轴之间，且其截面一般为圆形。为对比两种通风槽的散热效果，取两种通风槽的总截面积相等；再根据表1所示电机参数并按照上述相同方法对电机进行共轭传热分析，得到相应的转子端环平均温度和定子绕组平均温度(对照组)，如表3所示。
表3
Figure GDA0002900059720000072
可见：相对于对照组，优选组的定子绕组平均温度基本维持不变，而转子端环的平均温度却下降了8.97℃，使电机温升最高部位的温度得到了显著下降，可见其降温效果十分明显。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种交流牵引电机转子齿部轴向通风槽的设计方法，其特征在于，所述轴向通风槽开于交流牵引电机转子齿部，所述轴向通风槽为矩形截面，所述矩形截面的中心线与其所在转子齿部的中心线重合；所述矩形截面的最佳宽度尺寸确定步骤如下：
步骤(1)在矩形截面宽度取值范围内任取若干个宽度值，并根据电机其它建模所需参数建立其分析模型；
步骤(2)针对步骤(1)所得分析模型进行共轭传热分析，通过计算软件求得其对应的转子端环平均温度与定子绕组平均温度；
步骤(3)针对步骤(2)所得截面宽度与温度数据采用数值拟合方法进行拟合，得到转子端环平均温度与转子齿部轴向通风槽宽度间的函数关系式：
u(x)＝a1x3+a2x2+a3x+a4 (1)
式中：x为转子齿部轴向通风槽的宽度，a1-a4为系数，根据电机参数的不同而不同，由计算机数值拟合后自动求出；
以及，定子绕组平均温度与转子齿部轴向通风槽宽度间的函数关系式：
v(x)＝b1x3+b2x2+b3x+b4 (2)
式中：x为转子齿部轴向通风槽的宽度，b1-b4为系数，根据电机参数的不同而不同，由计算机数值拟合后自动求出；
步骤(4)根据步骤(3)所得转子端环平均温度和定子绕组平均温度的函数关系式，构建散热效果评价函数：
Figure FDA0003463701180000011
式中：F(x)为散热效果评价函数，c、d分别为转子端环平均温度和定子绕组平均温度的权重系数，可根据需求进行设定，且0＜c＜d＜1，c+d＝1；
步骤(5)通过计算散热效果评价函数的最小值，获得相应的转子齿部轴向通风槽的宽度值，该宽度值即为转子齿部轴向通风槽的最佳宽度尺寸。
2.根据权利要求1所述的交流牵引电机转子齿部轴向通风槽的设计方法，其特征在于：所述轴向通风槽开于转子的每个齿部，所述矩形截面的长边平行于转子齿部中心线，矩形截面中心位于转子齿部中心线上。
3.根据权利要求1所述的交流牵引电机转子齿部轴向通风槽的设计方法，其特征在于：所述轴向通风槽矩形截面的上边线与转子齿冠的下边线对齐，矩形截面的下边线与转子齿部的下边线对齐。
4.根据权利要求1所述的交流牵引电机转子齿部轴向通风槽的设计方法，其特征在于：步骤(1)中的宽度值呈等差数列选取。
5.根据权利要求1所述的交流牵引电机转子齿部轴向通风槽的设计方法：步骤(1)中所述矩形截面宽度取值范围大于0，并小于转子齿部宽度。
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