【行业案例】定子轴向通风孔对大功率机车用异步牵引电机的影响
本文以一台1269.873KW的大功率机车用异步牵引电机为例子，研究了定子轴向通风孔对电机电磁性能的影响。
1，二维电磁场的数值计算
1.1 物理模型
电机横截面如图1所示。
由于电机在运行时磁场对称分布，取一对极下的电机模型如图2进行分析，进而减少计算量。
1.2 基本假设
为简化分析，做如下假设：
（1）磁场沿电机轴向设为不变，因此可以简化为二维场来处理；
（2）忽略电机端部磁场效应，磁场沿轴向均匀分布，即电流密度矢量 J 和磁位矢量 A只有轴向分量；
（3）定子导体和铁心中的集肤效应忽略不计；
（4）不考虑电机向铁芯外部散磁，电机定转子铁芯外缘矢量磁位均为零。
1.3 数学模型及边界条件
本文中的大功率机车用异步电机，定子通风孔为60个，建立电磁场的数学模型，其基本参数如表1所示。
考虑磁场的对称性选取整个电机的1/4为求解区域，电机内瞬态电磁场满足边值问题
1.4 实际结构下电磁场结果分析
本文电机轴向通风孔的实际尺寸为孔距Φ720mm、孔径Φa25mm；由图5可以看出，在负载运行时大功率机车牵引电机定子齿顶处磁密最饱和，在靠近气隙的定子铁心齿顶处，连续7个齿的磁密都在1.7T以上，转子铁心齿处的磁密也比较饱和，连续5个齿的磁密都在1.6T以上，定子轭部平均磁密为1.064T，两通风孔间最大磁密为1.16T。
1.5 定子通风孔位置对电磁场的影响分析
由图6可以看出，孔径不变，孔距减小到780mm后，电机内的磁密分布趋势基本不变，但定子铁心轭部磁密更为饱和，定子轭部平均磁密为1.215T，比孔距为720mm时增加了0.151T；两通风孔间最大磁密为1.83T，比孔距为720mm时增加了0.67T。
1.6 定子通风孔直径对电磁场的影响分析
由图7可以看出，孔距不变，孔径增大为35mm后，定子铁心轭部磁密也更加饱和；定子轭部平均磁密为1.413T，比孔径为25mm时增加了0.349T；两通风孔间最大磁密为2T，比孔径为25mm时增加了0.84T。
1.7 定子通风孔直径和位置对电磁场的影响分析
由图8可以看出，随孔距的增加和孔径的减小，定子电流呈现减小的趋势，且随着孔距逐渐增加和孔径的逐渐减小，其电流变化趋势逐渐变缓，这是由于通风孔的磁阻要远远大于硅钢片的磁阻，磁力线大部分由两个通风孔之间通过，当通风孔孔距增大时，相当于等效定子轭部增加，使总的磁阻减小，从而定子无功电流减小，则定子电流亦减小。随着定子孔距的减小，定子电流的减小亦因上面分析的原因。
通过上面分析，通风孔对电机定子电流的影响，只要体现在对定子等效轭部的影响，如图9所示，随着定子轭部平均磁密的减小，定子电流也减小，当定子轭部平均磁密小于1.3T后，定子电流基本没有变化，可见当定子轭部平均磁密小于1.3T后，通风孔对电机的电磁性能的影响已非常小了。
2 结论
（1）定子电流随着定子轴向通风孔孔距的增加和孔径的减小而减小，当通风孔孔距增加或孔径减小到一定范围后，定子电流减小的程度放缓，可见轴向通风孔对电机电磁性能的影响减弱；
（2）定子轴向通风孔的孔距和孔径变化对电机的电磁性能的影响是通过影响定子等效轭部实现的，当定子轭部平均磁密小于1.3T后，定子轴向通风孔对电机电磁性能可认为不构成影响，所以合理的选择定子轴向通风孔的孔距和孔径可使得定子轴向通风孔对电机的性能无影响。
关于ANSYS, Inc.
ANSYS成立于1970年，通过仿真驱动产品研发，快速、准确、可靠的工程仿真技术帮助客户掌握和理解最为复杂的设计难题。我们的技术能够让各个行业的机构准确预测产品在现实中的真实性能。客户相信我们提供的创新软件能够帮助他们确保产品的完整性并实现商业价值...欲了解更多详情，敬请访问www.ansys.com.cn。
ANSYS在主要社交媒体上也保持积极宣传态势。在中国，敬请关注ANSYS新浪微博：@ANSYS中国。ANSYS官方*****：ANSYS。
