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本文以一台大功率机车用异步牵引电机为例，根据电磁理论，给出相应的求解域和数学模型，利用Ansoft Maxwell 软件，计算了牵引电机定子轴向通风孔不同孔距和孔径对电机电磁性能 的影响；并对结果进行分析，得到一些有益的结论。
1 前言
随着我国交通运输的发展，以及对货物运输的要求，大功率机车得到了广泛的应用，作为动力传动装置的牵引电机，起着至关重要的作用。目前牵引电机的电磁设计主要依靠磁路计算，但磁路设计方法是通过一系列修正参数来计算出电机的电磁参数，对一些特殊的电机结构参数，难于考虑和保证计算的精度。
在大功率机车用异步牵引电机中，由于通风散热的需要，需在定子上开轴向通风孔，对于定子轴向通风孔的处理，依据经典磁路法，借鉴转子轴向通风孔的处理方法[1，2]，对定子轭部长度进行等效处理，但该方法只考虑通风孔的排数和直径，而对通风孔的开孔位置并没有考虑，并且这种近似处理的方法只适合于对定子轭部不太饱和的情况，而对于大功率机车用异步牵引电机，往往采用较高的电磁负荷，以保证较高的材料利用率，所以当定子轭部磁密比较饱和时，利用此种方法给计算带来了偏差[3,4]。而利用Ansoft Maxwell软件对电机内电磁性能进行计算，考虑了定子轴向通风孔对电机性能的影响，保证了电机的计算精度。
2 二维电磁场的数值计算
2.1 物理模型
电机横截面如图1所示。 （图片） 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[5]。
2.2 基本假设
为简化分析，做如下假设[6]：
（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。（图片） 2.3 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。（图片） （图片） （图片） （图片） （图片） 2.5 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。（图片） 2.6 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。（图片） 2.7 定子通风孔直径对电磁场的影响分析（图片） 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。
2.8 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。（图片） 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。
3 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。
[参考文献]
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[2] 陈广泰．提高同步主发电机励磁系统可靠性的途径[J]．中小型电机，1999，26(3)
[3] 吴顺海. 高速动车组用异步牵引电机内电磁场的时步有限元计算与分析[J] ．电力机车与城轨车辆 2011，34(1)：15-20.
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[5] 汤蕴璆．电机内的电磁场（2 版）[M]．北京：科学出版社，1998．
[6] 陈世元．交流电机磁场的有限元分析[M]．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1998．
[7] 姚陶生． ANSYS 有限元分析软件在机车主发电机电磁场分析中的应用[J]．内燃机车，1999，2(2)
[8] 陈世坤．电机设计[M]．北京：机械工业出版社，2004．
4/11/2013
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