一种轴向风冷感应电机的转子轴向通风孔结构及其优化方法

1.本发明涉及电机冷却领域，尤其涉及一种轴向风冷感应电机的转子轴向通风孔结构及其优化方法。


背景技术：

2.感应电机因其便于控制、可靠性高、制造成本低等优点广泛应用于工业生产、交通运输、化石能源开采及冶金等领域。近年来，随着我国科技水平的逐渐提高，也对感应电机的性能指标提出了更高的要求，因而在设计过程中，感应电机被设计承载有更高的电、磁负荷，以持续提高感应电机的功率、转矩密度，这使得感应电机单位体积的产热量也随之剧增，导致电机内各结构温升较高，削弱了电机使用寿命和运行可靠性，限制了感应电机在工业领域上的应用。
3.传统的通风冷却感应电机通常在电机转子铁心开设轴向通风孔来增大转子铁心与内部冷却介质的换热面积并调节内部冷却介质分配情况，以提高感应电机的散热能力。但在铁心开设轴向通风孔会影响感应电机的电磁转矩，进而影响其对外输出能力；另一方面，目前轴向通风孔参数的确定多依赖设计人员的经验，所设计的轴向通风孔没有充分发挥该结构的冷却强化能力，依旧存在可改进的空间，因此行之有效的轴向通风孔的改进方法是目前急需要解决的问题。


技术实现要素：

4.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种轴向风冷感应电机的转子轴向通风孔结构及其优化方法，对转子铁芯轭部的轴向通风孔结构设计，并且对通风孔进行优化，既能够提高电机的散热能力，防止电机发生故障，确保电机安全稳定地运行，又不会影响电机的电磁转矩。
5.为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种轴向风冷感应电机的转子轴向通风孔结构，所述轴向通风孔设在转子铁心轭部，所述通风孔周向均匀阵列排布形成至少一个同心环形结构，所述环形结构中的通风孔的数量相同，相邻两环形结构的通风孔均匀间隔分布。
6.进一步的，所述轴向通风孔的轴向截面呈圆形、椭圆形、矩形或三角形。
7.进一步的，所述环形结构的数量小于等于2。
8.本发明第二方面提供了一种轴向风冷感应电机的转子轴向通风孔优化方法，包括如下步骤：
9.s1、确定轴向通风孔的限制参数和改进参数，根据电机的几何结构和材料特性参数确定轴向通风孔的限制参数、改进参数的初始值以及改进参数的取值范围；
10.s2、基于所述改进参数，通过田口法进行实验方案设计，获取各实验方案下的感应电机磁-热特性；
11.s3、采用多元二次回归方程拟合所述改进参数和感应电机磁-热特性结果，建立所
述改进参数与感应电机磁-热特性之间的函数关系，通过求解所述函数关系得到最优改进参数数值。
12.进一步的，所述限制参数包括沿径向方向最内层轴向通风孔轴向截面的圆心与感应电机径向几何中心的距离b，沿径向方向最外层轴向通风孔轴向截面的圆心与感应电机径向几何中心的距离c，转子槽底与感应电机径向几何中心的最小距离为d，感应电机转轴半径e，转子铁心强度保证值f。
13.进一步的，所述改进参数包括轴向通风孔的总数量n、轴向通风孔轴向截面的半径r和轴向通风孔轴向截面圆心的径向位置p。
14.进一步的，各实验方案下，改进参数与限制参数满足如下关系：
[0015][0016]
进一步的，所述感应电机的磁-热特性包括无量纲电磁转矩变化率t
*
和定子绕组最高温升下降幅度δt
max
，分别为：
[0017][0018]
式中，ti为第i个试验方案求得的感应电机电磁转矩，i＝1,2,3l m；t0为改进轴向通风孔前感应电机的电磁转矩；t
imax
为第i个试验方案求得的感应电机定子绕组最高温升，i＝1,2,3l m；t
0max
为改进轴向通风孔前感应电机的定子绕组最高温升。
[0019]
进一步的，所述改进参数与感应电机磁-热特性之间的函数关系为：
[0020][0021]
式中，yk为响应变量，分别为无量纲电磁转矩变化率t
*
和定子绕组最高温升下降幅度δt
max
；xi、xj为输入变量，分别为轴向通风孔的总数量n、轴向通风孔轴向截面的半径r和轴向通风孔轴向截面圆心的径向位置p；λ0、λi、λ
ii
、λ
ij
、λ
ji
均为待定系数。
[0022]
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0023]
1、本发明的轴向通风孔采用多层环形均匀阵列结构，相邻环形结构中的通风孔间隔交错分布，进一步提高换热效率。
[0024]
2、本发明以轴向通风孔的数量、半径和位置作为改进参数，在既定的限制参数前提下，通过改变轴向通风孔的数量、半径和位置，改变感应电机内部冷却介质分配情况和转子铁心与冷却介质的换热面积，引导更多的冷却介质流经感应电机定子区域，提高感应电机定子区域散热能力，有效地抑制定子绕组的最高温升，解决了定子绕组最高温升过高的问题，进而延长电机的使用寿命并提高运行可靠性。
[0025]
3、本发明的试验方案设计采用田口法，其新颖、实用的正交试验设计技术能够有效地减少试验方案总数，降低计算成本，其保证试验方案设计的科学性。
[0026]
4、本发明将电机多物理场耦合分析方法与多元二次回归方程拟合法相结合，对轴向通风孔的总数量n、轴向截面的半径r和轴向截面圆心的径向位置p等三个核心参数进行改进，相比于传统的改进方法，提高了改进效率和改进质量。
[0027]
5、本发明优化后的通风孔不影响电机的电磁转矩且使定子绕组最高温升下降幅度最大，采用本方法改进轴向通风孔后既能够提高电机的散热能力，防止电机发生故障，确保电机安全稳定地运行，又不会影响电机的电磁转矩。
[0028]
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
[0029]
图1是本发明一种具体实施例的轴向风冷感应电机剖视结构示意图；
[0030]
图2是本发明一种具体实施例的轴向风冷感应电机轴向截面结构示意图；
[0031]
附图标记说明：1、风机；2、机壳；3、定子铁心；4、定子绕组；5、转子铁心；6、转子导体；7、端环；8、转轴；9、入风口；10、定子铁心与机壳间轴向通风道；11、转子轴向通风孔；12、出风口；13、定子槽；14、转子槽。
具体实施方式
[0032]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0033]
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0034]
为了阐释的目的而描述了本发明的一些示例性实施例，需要理解的是，本发明可通过附图中没有具体示出的其他方式来实现。
[0035]
如图1所示，本实施例的一种轴向风冷感应电机包括电机本体和安装于电机机壳上的风机1，风机1为离心式风机，风机1通过螺栓固定在机壳2顶部平面，风机1的出风口与电机入风口9对应，风机1将外部冷空气鼓入电机内部冷却电机内各结构。电机本体包括机壳2、定子铁心3、定子绕组4、转子铁心5、转子导体6、端环7、转轴8，转轴8通过轴承固定连接有前后端盖，前后端盖通过螺栓固定在机壳2上，转轴8贯穿机壳2的后端中心位置，转轴8通过键槽固定连接有转子铁心5，转子铁心5上设置有转子槽14，转子导体6设置在转子铁心5的转子槽14内，端环7通过焊接工艺固定连接有转子导体6，定子铁心3上设置有定子槽13，定子绕组4设置在定子铁心3的定子槽13内，定子铁心3外侧延圆周方向设置有铁心卡槽，机壳2内侧沿圆周方向设置有机壳卡槽，定子铁心3通过卡槽固定连接有机壳2，定子铁心3和
机壳2之间有通风间隙，形成轴向通风道10。机壳2的前端顶部平面设置有入风口9，机壳2的后端端面设置有出风口12。
[0036]
在一具体实施例中提供了一种轴向风冷感应电机的转子轴向通风孔结构，所述轴向通风孔结构包括若设在转子铁心轭部的轴向通风孔，若干通风孔周向均匀阵列排布形成至少一个同心环形结构，所述环形结构可以为以转子轴心同轴的圆环形结构，圆环形结构的直径沿径向方向依次增大。各环形结构中的通风孔的数量相同，并且相邻两环形结构的通风孔均匀间隔分布。
[0037]
如图2所示，在一具体实施例中，转子铁心的轭部设置有32个转子轴向通风孔11，转子轴向通风孔11在转子铁心5的轭部沿径向方向分为2层，每层均包括16个轴向通风孔，同一层内轴向通风孔沿圆周方向均匀分布，不同层间轴向通风孔沿周向方向错位均匀分布，转子轴向通风孔11的轴向截面呈圆形。
[0038]
所述通风孔形状根据需要进行设定，例如轴向通风孔呈圆形、椭圆形、矩形或三角形，本实施例中的轴向通风孔呈圆形，其中心为圆心。
[0039]
在一具体实施例中提供了一种轴向风冷感应电机的转子轴向通风孔优化方法，包括如下步骤：
[0040]
s1、确定轴向通风孔的限制参数和改进参数，根据电机的几何结构和材料特性参数确定轴向通风孔的限制参数、改进参数的初始值以及改进参数的取值范围。
[0041]
所述限制参数包括沿径向方向最内层轴向通风孔轴向截面的圆心与感应电机径向几何中心的距离b，沿径向方向最外层轴向通风孔轴向截面的圆心与感应电机径向几何中心的距离c，转子槽底与感应电机径向几何中心的最小距离为d，感应电机转轴半径e，转子铁心强度保证值f，本实施例中，各限制参数为：b＝120mm，c＝149mm，d＝178.5mm，e＝80mm，f＝10mm。
[0042]
所述改进参数包括轴向通风孔的总数量n、轴向通风孔轴向截面的半径r和轴向通风孔轴向截面圆心的径向位置p，通过对改进参数进行优化设定，在本实施例中，轴向通风孔总数量n的初始值为32；轴向通风孔轴向截面的半径r的初始值为10mm；轴向通风孔轴向截面圆心的径向位置p的初始值为ccccc。
[0043]
所述圆环形结构的数量a为一个或两个，当圆环形结构数量a＝1时，则满足b＝c；若a＝2时，则满足b《c，且c-b》r，基于上述参数计算可知，本实施例中的r《29。
[0044]
s2、基于所述改进参数，通过田口法进行实验方案设计，获取各实验方案下的感应电机磁-热特性。
[0045]
所述改进参数虽然只有三个，但不同的改进参数包括不同的等级，为了从众多的实验方案中筛选出具有代表性的点进行实验，本实施例采用田口法设计实验方案，在田口法设计的实验方案基础上获得感应电机磁-热特性，具体包括如下步骤：
[0046]
s21、以改进参数的初始值为基础，确定轴向通风孔各个改进参数的等级数量和各个等级的取值；在本实施例中，根据历史数据或经验数据设置五个等级值，每个等级值代表不同的磁-热特性，各改进参数的各个等级的取值如表1所示。
[0047]
表1：改进参数等级及各级取值
[0048][0049]
表1中，轴向通风孔轴向截面圆心的径向位置p的正、负号代表轴向通风孔轴向通风孔的移动方向，正号代表轴向通风孔圆心向转子外圆方向移动，即向靠近气隙方向移动；负号代表轴向通风孔圆心向转子内圆方向移动，即向靠近转轴方向移动，p的数值代表圆心移动的距离。各个等级中在改变轴向通风孔数量时，必须保证轴向通风孔分布特点不发生变化，即内、外层轴向通风孔的数量相同，同一层内的轴向通风孔均匀分布，不同层间的轴向通风孔交错分布。
[0050]
s22、根据改进参数的个数和各参数对应的等级，建立正交表，根据正交表进行试验方案设计，共包括m个试验方案，在本实施例中，m＝25；
[0051]
根据影响因素的个数和各影响因素对应的等级，建立l
25
(53)正交表，根据正交表进行试验方案设计，如表2所示。
[0052]
表2：l
25
(53)正交表
[0053][0054][0055]
s23根据正交表中轴向通风孔改进参数的等级取值组合方案分别建立对应的25个电机全域三维物理模型，对所述电机三维物理模型进行网格划分，建立对应的感应电机全域多物理场耦合分析模型；求解所建立的感应电机全域多物理场耦合分析模型，获取各实验方案下感应电机磁-热特性。
[0056]
所述感应电机的磁-热特性包括无量纲电磁转矩变化率t
*
和定子绕组最高温升下降幅度δt
max
，分别为：
[0057][0058]
式中，t
*
为无量纲电磁转矩变化率；ti为第i个试验方案求得的感应电机电磁转矩，i＝1,2,3l m；t0为改进轴向通风孔前感应电机的电磁转矩；δt
max
为定子绕组最高温升下
降幅度；t
imax
为第i个试验方案求得的感应电机定子绕组最高温升，i＝1,2,3l m；t
0max
为改进轴向通风孔前感应电机的定子绕组最高温升。
[0059]
在本实施例中，各试验方案下感应电机磁-热特性如表3所示。
[0060]
表3感应电机磁-热特性
[0061][0062][0063]
上述各实验方案下，改进参数与限制参数需要满足如下限制关系：
[0064][0065]
s3、采用多元二次回归方程拟合所述改进参数和感应电机磁-热特性结果，建立所述改进参数与感应电机磁-热特性之间的函数关系，通过求解所述函数关系得到最优改进参数数值。
[0066]
所述改进参数与感应电机磁-热特性之间的函数关系为：
[0067][0068]
式中，yk为第k个响应变量；xi为第i个输入变量；n为输入变量的个数；本实施例中，输入变量包括三个，分别为轴向通风孔的数量n、轴向通风孔半径r和轴向通风孔圆心移动位置p，相应变量包括两个，分别为无量纲电磁转矩变化率t
*
和定子绕组最高温升下降幅度δt
max
。函数关系中的λ0、λi、λ
ii
、λ
ij
、λ
ji
均为待定系数，所述待定系数的具体数值采用最小二乘法确定。
[0069]
在本实施例中，基于上述实验方案，通过最小二乘法确定各待定系数，构建了轴向通风孔的数量、半径和位置与感应电机磁-热特性之间的函数关系式为：
[0070][0071]
求解上述函数关系式确定最优的轴向通风孔改进参数，进而根据最优改进参数确定最优的轴向风冷感应电机轴向通风孔结构。
[0072]
通过求解上述函数关系得到，定子绕组最高温升下降幅度的最小值可达-7.6k，此时r＝5mm，n＝46，p＝+5.95mm。
[0073]
在本实施例中，要求t
*
≥1，即改进轴向通风孔后感应电机的电磁转矩不减小，将r＝5mm，n＝46，p＝+5.95mm带入无量纲电磁转矩变化率函数关系式可得，此时t
*
＝1.005》1，经验证改进后的感应电机电磁转矩满足要求。
[0074]
将r＝5mm，n＝46，p＝+5.95mm代入轴向通风孔参数与轴向通风孔限制参数之间的关系式，验证改进后的轴向通风孔参数与轴向通风孔限制参数之间的是否满足所给出的关系式：
[0075][0076]
经验证，改进后的轴向通风孔参数满足要求。
[0077]
综上，本实施例采用本发明方法改进的轴向通风孔的具体参数分别为：r＝5mm，n＝46，内层通风孔圆心径向位置为125.95mm、内层通风孔圆心径向位置为154.95mm。
[0078]
通过实验进行比对，轴向风冷感应电机采用本方法改进轴向通风孔前，定子绕组最高温升为116.3k，电磁转矩为8709.3n
·
m；轴向风冷感应电机采用本方法改进轴向通风孔后，定子绕组最高温升下降至108.7k，下降了7.6k，下降幅度达6.5％，此时电磁转矩为8752.8n
·
m，增大了43.5n
·
m，增幅为0.5％，可见采用本改进方法改进感应电机的轴向通风孔参数，在不减小感应电机电磁转矩的情况下，有效地抑制了定子绕组最高温升，提高感应电机运行可靠性。
[0079]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种轴向风冷感应电机的转子轴向通风孔结构，所述轴向通风孔设在转子铁心轭部，其特征在于，所述通风孔周向均匀阵列排布形成至少一个同心环形结构，所述环形结构中的通风孔的数量相同，相邻两环形结构的通风孔均匀间隔分布。2.根据权利要求1所述一种轴向风冷感应电机的转子结构，其特征在于，所述轴向通风孔的轴向截面呈圆形、椭圆形、矩形或三角形。3.根据权利要求1所述一种轴向风冷感应电机的转子结构，其特征在于，所述环形结构的数量小于等于2。4.一种轴向风冷感应电机的转子轴向通风孔优化方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、确定轴向通风孔的限制参数和改进参数，根据电机的几何结构和材料特性参数确定轴向通风孔的限制参数、改进参数的初始值以及改进参数的取值范围；s2、基于所述改进参数，通过田口法进行实验方案设计，获取各实验方案下的感应电机磁-热特性；s3、采用多元二次回归方程拟合所述改进参数和感应电机磁-热特性结果，建立所述改进参数与感应电机磁-热特性之间的函数关系，通过求解所述函数关系得到最优改进参数数值。5.根据权利要求4所述一种轴向风冷感应电机的转子轴向通风孔优化方法，其特征在于，所述限制参数包括沿径向方向最内层轴向通风孔轴向截面的圆心与感应电机径向几何中心的距离b，沿径向方向最外层轴向通风孔轴向截面的圆心与感应电机径向几何中心的距离c，转子槽底与感应电机径向几何中心的最小距离为d，感应电机转轴半径e，转子铁心强度保证值f。6.根据权利要求5所述一种轴向风冷感应电机的转子轴向通风孔优化方法，其特征在于，所述改进参数包括轴向通风孔的总数量n、轴向通风孔轴向截面的半径r和轴向通风孔轴向截面圆心的径向位置p。7.根据权利要求6所述一种轴向风冷感应电机的转子轴向通风孔优化方法，其特征在于，各实验方案下，改进参数与限制参数满足如下关系：8.根据权利要求6所述一种轴向风冷感应电机的转子轴向通风孔优化方法，其特征在于，所述感应电机的磁-热特性包括无量纲电磁转矩变化率t
*
和定子绕组最高温升下降幅度δt
max
，分别为：式中，t
i
为第i个试验方案求得的感应电机电磁转矩，i＝1,2,3lm；t0为改进轴向通风孔
前感应电机的电磁转矩；t
imax
为第i个试验方案求得的感应电机定子绕组最高温升，i＝1,2,3lm；t
0max
为改进轴向通风孔前感应电机的定子绕组最高温升。9.根据权利要求8所述一种轴向风冷感应电机的转子轴向通风孔优化方法，其特征在于，所述改进参数与感应电机磁-热特性之间的函数关系为：式中，y
k
为响应变量，分别为无量纲电磁转矩变化率t
*
和定子绕组最高温升下降幅度δt
max
；x
i
、x
j
为输入变量，分别为轴向通风孔的总数量n、轴向通风孔轴向截面的半径r和轴向通风孔轴向截面圆心的径向位置p；λ0、λ
i
、λ
ii
、λ
ij
、λ
ji
均为待定系数。

技术总结
本发明公开了一种轴向风冷感应电机的转子轴向通风孔结构及其优化方法，涉及电机冷却领域。本发明设定改进参数，基于改进参数，通过田口法进行实验方案设计，获取各实验方案下的感应电机磁-热特性；采用多元二次回归方程拟合所述改进参数和感应电机磁-热特性结果，建立所述改进参数与感应电机磁-热特性之间的函数关系，通过求解所述函数关系得到最优改进参数数值。本发明本发明适用于轴向风冷感应电机，可以有效降低定子绕组热点温升，且不削弱感应电机的输出能力，方法简单、高效，较好的解决了感应电机定子绕组温升过高的问题，提高感应电机的运行可靠性。应电机的运行可靠性。应电机的运行可靠性。


技术研发人员：徐子逸 徐永明 王延波 陈建锋 朱二夯
受保护的技术使用者：常州工学院
技术研发日：2023.06.23
技术公布日：2023/8/13