一种牵引电机轴向变截面定子通风孔的优化方法

技术领域

本发明属于电机技术领域，具体涉及一种牵引电机轴向变截面定子通风孔的优化方法。

背景技术

近年来，我国铁路运营里程不断增加，高速铁路的发展对列车的动力品质和运行安全性提出了更高的要求。异步牵引电机作为高速列车的核心部件，具有结构简单、过载能力大和维护方便等优点，其性能直接关系到高速铁路的运行安全。随着高铁技术的发展，高铁牵引电机的容量和功率密度越来越大，随之带来的问题是：电机发热量更大，可能面临电机温升过高等问题，这也对电机冷却通风效能提出了更高的要求。近几年，在我国高速动车组异步牵引电机的运行中，出现了较多的热问题：CRH2-013A和CRH2-032A运行以来，在牵引传动系统中，由于电机温度高，而引发的故障占总故障的16.6％，CRH2008动车组也曾发生过牵引电机过热烧损的问题，究其原因，发现：均是由于电机通风不畅，而导致的电机温升过高，由此可见：电机温升问题严重威胁列车的安全运行。因此，合理优化电机定子的通风结构，提高电机传热介质的利用率，有效降低电机温升(尤其是定子绕组的温度)显得尤为重要。

发明内容

本发明提供了一种牵引电机轴向变截面定子通风孔的优化方法，以解决上述背景技术中的问题。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种牵引电机轴向变截面定子通风孔的优化方法，包括以下步骤：

步骤1：沿定子铁芯2的周向均匀设置x个轴向等截面的圆柱形通风孔1，所述轴向等截面的圆柱形通风孔1的截面直径为d

步骤2：在步骤1所述通风孔结构的基础上，将轴向等截面的圆柱形通风孔1修改为轴向不等截面的分段圆柱形通风孔，轴向不等截面的分段圆柱形通风孔的孔径依次分段增加，所述孔径的最小值为d

以电机定子绕组温度最低为目标，寻找并确定局部最优方案1；

步骤3：在局部最优方案1确定的分段数所对应的孔径的最小值为d

所述轴向不等截面的连续圆台形通风孔的截面直径为d

对上述具有轴向不等截面的连续圆台形通风孔结构的电机模型进行温度场仿真，探究轴向不等截面的连续圆台形通风孔对电机温度的影响规律，以电机定子绕组温度最低为目标，寻找并确定局部最优方案；

将本步骤确定的结果与局部最优方案1进行比较，以电机定子绕组温度最低为目标，确定局部最优方案2；

步骤4：在局部最优方案2的基础上，改变通风孔截面直径；

对改变通风孔截面直径的的电机模型结构进行温度场仿真，探究通风孔截面直径变化对电机温度的影响规律，以电机定子绕组温度最低为目标，寻找并确定局部最优方案3；

步骤5：在局部最优方案3的基础上，改变通风孔的孔中心到电机轴中心的距离；

对上述改变通风孔的孔中心到电机轴中心的距离的的电机模型结构进行温度场仿真，探究所述距离对电机温度的影响规律，以电机定子绕组温度最低为目标，找到局部最优方案4；

最后，确定所述局部最优方案4为全局最优方案。

在上述技术方案的基础上，步骤2的具体步骤为：

以通风孔的截面直径d

当n为奇数时，

所述n段圆柱形通风孔的直径依次分别为：d

其中k

当n为偶数时，

所述n段圆柱形通风孔的直径依次分别为：d

其中k

所述n段圆柱形通风孔结构受到定子铁芯2结构的约束；

对具有n段圆柱形通风孔结构的电机模型进行温度场仿真，探究轴向不等截面的分段圆柱形通风孔对电机温度的影响规律，以电机定子绕组温度最低为目标，寻找并确定局部最优方案1。

在上述技术方案的基础上，当步骤3确定的局部最优方案为轴向不等截面的连续圆台形通风孔结构时，步骤4的具体步骤为：

以轴向不等截面的连续圆台形通风孔的圆台小端直径d

所述通风孔截面直径大于0，且所述通风孔截面直径能够保证沿定子铁芯2的周向均匀设置x个轴向不等截面的连续圆台形通风孔；

第1种轴向不等截面的连续圆台形通风孔结构的截面直径为：从圆台小端直径d

第2种轴向不等截面的连续圆台形通风孔结构的截面直径为：从圆台小端直径d

……

第k

第k

第k

第k

……

第m

第m

其中，m

所述m

对具有上述m

在上述技术方案的基础上，当步骤3确定的局部最优方案1为轴向不等截面的分段圆柱形通风孔结构时，步骤4的具体步骤为：

以轴向不等截面的分段圆柱形通风孔为基础，以e为步长，改变通风孔截面直径，形成m

所述通风孔截面直径大于0，且所述通风孔截面直径能够保证沿定子铁芯2的周向均匀设置x个轴向不等截面的分段圆柱形通风孔；

第1种轴向不等截面的分段圆柱形通风孔各段的截面直径均减去k

第2种轴向不等截面的分段圆柱形通风孔各段的截面直径均减去(k

……

第k

第k

第k

第k

……

第m

第m

其中，m

所述m

对具有上述m

在上述技术方案的基础上，步骤5的具体步骤为：

以c为步长，改变通风孔的孔中心到电机轴中心的距离，形成p种通风孔结构；

所述通风孔的孔中心到电机轴中心的距离大于D；

所述D为：定子槽底到电机轴中心的距离D1与局部最优方案3所确定的通风孔结构的截面大端半径(即通风孔结构中的截面直径最大处)的和；

所述通风孔的孔中心到电机轴中心的距离小于D’；

所述D’为：定子铁芯2的半径D2与局部最优方案3所确定的通风孔结构的截面大端半径的差；

即使得通风孔的孔中心到电机轴中心的距离在D与D’之间；

第1种通风孔结构的孔中心到电机轴中心的距离为：r

第2种通风孔结构的孔中心到电机轴中心的距离为：r

……

第k

第k

第k

第k

……

第p-1(即k

第p(即k

其中，p＝k

所述p种通风孔结构受到定子铁芯2结构的约束；

对具有上述p种通风孔结构的电机模型分别进行温度场仿真，探究通风孔的孔中心到电机轴中心的距离变化对电机温度的影响规律；以电机定子绕组温度最低为目标，找到局部最优方案4。

在上述技术方案的基础上，步骤2、步骤3、步骤4和步骤5所述以电机定子绕组温度最低为目标，是指：将具有不同通风孔结构的电机模型分别进行温度场仿真，分别确定具有不同通风孔结构的定子绕组的最高温度，然后对具有不同通风孔结构的定子绕组的最高温度进行对比分析，在所述最高温度中寻找最低温度值对应的通风孔结构。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明提出了一种牵引电机轴向变截面定子通风孔的优化方法，可以探究轴向不等截面的分段圆柱形通风孔、轴向不等截面的连续圆台形通风孔、通风孔截面直径和通风孔的孔中心到电机轴中心的距离对电机温度的影响规律，通过逐步寻找局部最优解的方式，得到全局最优解。此优化方法对于优化电机通风冷却结构，降低电机温升具有重要意义。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为本发明所述一种牵引电机轴向变截面定子通风孔的优化方法的流程示意图；

图2为带有轴向等截面的圆柱形定子通风孔的1/2电机结构示意图；

图3中(a)图为3段圆柱形通风孔结构示意图；

图3中(b)图为4段圆柱形通风孔结构示意图；

图3中(c)图为5段圆柱形通风孔结构示意图；

图4为轴向不等截面的连续圆台形通风孔结构示意图。

附图标记：

1、轴向等截面的圆柱形通风孔；2、定子铁芯。

具体实施方式

下面根据附图详细阐述本发明优选的实施方式，本实施方式以降低定子绕组温度为目标，暂不考虑电机的机械强度。

本实例涉及的参数：电机定子通风孔个数：x＝36个；电机定子通风孔的截面直径d，随通风孔结构变化；电机定子通风孔的截面直径变化步长为：2mm；电机定子通风孔的孔中心到电机轴中心的距离为r，随通风孔结构变化；电机定子通风孔的孔中心到电机轴中心的距离变化步长为：10mm。

本发明实施例提供的一种牵引电机轴向变截面定子通风孔的优化方法的流程示意图如图1所示，具体可以包括如下步骤：

步骤1：沿定子铁芯2设置轴向等截面的圆柱形通风孔1，并对具有该结构的电机模型进行温度场仿真，得到温度分布规律。

具体过程为，沿定子铁芯2的周向均匀设置x＝36个轴向等截面的圆柱形通风孔1，轴向等截面的圆柱形通风孔1的截面直径为d

步骤2：将轴向等截面的圆柱形通风孔1修改为轴向不等截面的分段圆柱形通风孔，探究对电机温度的影响规律，寻找局部最优方案1。

具体过程为：在通风孔个数为x＝36、孔中心到电机轴中心的距离为r

以通风孔的截面直径d

所述3段圆柱形通风孔的直径依次分别为：d

所述4段圆柱形通风孔的直径依次分别为：d

所述5段圆柱形通风孔的直径依次分别为：d

当以通风孔截面直径d

对具有3段圆柱形通风孔结构、4段圆柱形通风孔结构和5段圆柱形通风孔结构的电机模型分别进行温度场仿真，探究轴向不等截面的分段圆柱形通风孔对电机温度的影响规律；

3段圆柱形通风孔定子绕组的最高温度为174.8℃，4段圆柱形通风孔定子绕组的最高温度173.2℃，5段圆柱形通风孔定子绕组的最高温度173.1℃。对比不同分段数的圆柱形通风孔的温度场仿真结果，以电机定子绕组温度最低为目标，寻找并确定局部最优方案1；可得到局部最优方案1为5段圆柱形通风孔结构，其具体参数为：通风孔个数为x＝36，孔中心到电机轴中心的距离r

步骤3：在局部最优方案1确定的通风孔结构的基础上，将轴向不等截面的分段圆柱形通风孔修改为轴向不等截面的连续圆台形通风孔，探究对电机温度的影响规律，寻找局部最优方案2。

具体过程为：将轴向不等截面的5段圆柱形通风孔修改为轴向不等截面的连续圆台形通风孔，如图4所示，其参数为：通风孔个数为x＝36、孔中心到电机轴中心的距离r

步骤4：在局部最优方案2的基础上，改变通风孔截面直径，探究通风孔截面直径变化对电机温度的影响规律，并寻找局部最优方案3。

具体过程为：在步骤3所述轴向不等截面的连续圆台形通风孔结构的通风孔截面直径范围d

方案(1)：通风孔截面直径范围d

方案(2)：通风孔截面直径范围d

分别对方案(1)和方案(2)的结构进行温度场仿真，探究得到通风孔截面直径变化对电机温度的影响规律：

当采用方案(1)的结构时，定子绕组的最高温度为169.0℃，孔中心到电机轴中心的距离r

当采用方案(2)的结构时，定子绕组的最高温度为164.4℃，孔中心到电机轴中心的距离r

以电机定子绕组温度最低为目标寻找局部最优方案3，可得局部最优方案3的参数为：通风孔个数为x＝36，孔中心到电机轴中心的距离r

步骤5：在局部最优方案3的基础上，改变通风孔的孔中心到电机轴中心的距离，探究该距离对电机温度的影响规律，并寻找局部最优方案4。

具体过程为：在局部最优方案3的基础上，以c＝10mm为步长，改变孔中心到电机轴中心的距离，得到以下方案：

方案(3)：孔中心到电机轴中心的距离r

方案(4)：孔中心到电机轴中心的距离r

方案(5)：孔中心到电机轴中心的距离r

分别对具有方案(3)、方案(4)和方案(5)结构的电机模型进行温度场仿真，探究不同结构对电机温度的影响规律：

当采用方案(3)的结构时，定子绕组的最高温度为167.9℃；

当采用方案(4)的结构时，定子绕组的最高温度为164.4℃；

当采用方案(5)的结构时，定子绕组的最高温度为162℃。

以电机定子绕组温度最低为目标，寻找局部最优方案4，作为全局最优方案4；

最后，确定所述局部最优方案4为全局最优方案：通风孔个数为x＝36、孔中心到电机轴中心的距离r

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。