CN101806642B - 基于仿真模型的电机运行三维温度场分布的虚拟测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三维温度场仿真模型的电机运行三维温度场分布的虚拟测试方法，其首先安装基于三维温度场仿真软件建立参数化电机三维温度场建模程序；实际测试环境温度与定子绕组电动机传动侧端部靠近接线盒处稳态温度；建立准确的被试电机定子三维温度场仿真模型；利用该模型对电机运行三维温度场分布的虚拟测试，实现包括故障在内的各种运行状态下电机稳态温度分布及瞬态温度变化的虚拟测量，可以给出电机内部任意位置的温度值及不同时刻电机各部位的温度分布图，实现电机运行三维温度场分布的虚拟测试，节省大量实际测试消耗的人力物力与时间，使用方便，不仅可以应用于异步电动机设计，而且可以应用于异步电动机保护。

Description

基于仿真模型的电机运行三维温度场分布的虚拟测试方法

技术领域

本发明涉及一种基于三维温度场仿真模型的电机运行三维温度场分布的虚拟测试方法，属电机温度保护技术领域。

背景技术

由于堵转、过载、断相、三相不平衡、过电压、欠电压、风扇损坏等故障将造成电动机热损坏，温度是影响电机寿命的主要因素，也是制约电机长期过载运行能力的主要因素。电动机故障热损坏造成巨大的经济损失,准确掌握各种运行负载情况下电机三维温度分布及温度变化规律是电机设计特别是电机保护研究的重要内容，不但可以为电机优化设计提供指导，而且可以为电机保护提供依据，

但是如果要了解掌握各种运行负载情况下电机温度分布及温度变化规律，必须进行大量长时间的、各种类型与参数负载下运行的实际测试，不仅消耗大量人力物力，而且不可能进行全面的各种类型故障各种运行状态下的三维温度场分布的测试，这就是长期以来人们无法也没有对电机运行三维温度场的实际温度分布进行大量测试的原因，由于电机热特性与热参数的复杂性，人们只有依靠许多经验数据或很大范围内理论参数的粗略选择进行建立温度场的仿真模型研究，并采用简单负载下实际温度分布进行验证的工作，比如夏正泽等在《微特电机》2009年第4期发表的论文“异步牵引电动机定子温度场的计算与分析”介绍了二维定子温度场仿真模型在空载与额定负载下温度场并进行实验对比，王艳武等在《中国电机工程学报》2009年第24期发表的论文“异步电动机定子绕组匝间短路三维温度场计算与分析” 介绍了三维定子温度场仿真模型并以空载下电机表面温度实测进行对比，但是这些研究都仅仅是进行建立三维定子温度场仿真模型的研究，这些模型都没有经过三维温度场实际温度分布的验证，更没有在各种负载条件下实际温度分布的验证，而实际负载比如空载与额定负载长期连续运行、各种过载运行、循环负载、三相不平衡负载、断相、变化负载等远远不是现有仿真模型研究过的内容，因此这些模型的准确性无法确定，只能是处于研究之中，特别是至今没有人提出将这些模型应用于电机各种负载下温度分布的虚拟测试的思路与方案，或者说目前人们的研究不可能也没有将模型应用于虚拟测试。

此外，目前进行电动机三维定子温度场仿真模型的研究全部都在电机研究设计领域，在电机领域或行业进行仿真模型研究的目的是针对电动机设计，而电动机保护研究主要是电器领域或行业，或者说电动机热保护技术、保护装置、保护器等研究制造都属电器领域或行业，然而电器领域与行业的人员没有进行电动机温度场仿真模型的研究，这是目前电动机保护研究的现状。

本课题组研究方向的重点是电器智能化研究，成员中有电器研究人员也有电机研究人员，我们考虑到必须对电动机温度场的实际分布情况有深入地了解才能实现准确地保护，因此我们开始对型号为Y100L2-4，额定功率为3kW的笼型转子感应电动机各部位埋设了64个温度传感器，实际测试了各种代表性运行状态下的温度分布，从而进行了大量实际测试，掌握了一手资料，进而在这些基础上建立了准确的三维定子温度场仿真模型，由于仿真模型以实际测试为基础确定各种热参数，因此，仿真模型准确地实现各种故障与运行状态下温度分布，了解到电动机温度分布与变化规律，为实现电动机热保护奠定基础，本来研究工作到此可以结束，但是摆在面前的问题是我们了解了温度分布情况，其他研究人员又如何能了解、应用这项成果，而且如果换一种型号或规格的电动机，用户同样无法了解其温度分布规律，因此本课题组产生了在电动机保护或电动机研究领域均未提出过的应用本课题组已经完成的三维定子温度场仿真模型进行虚拟测试并具通用性的思路，并且完善虚拟测试方法与界面，解决了各种异步电动机无法进行各种故障与运行状态下温度分布实际测试的问题，使三维定子温度场仿真模型获得新的更大的工程应用。举例说明，除了必须在电动机制造过程在电动机内埋设大量传感器并研制测试装置等大量工作外，如果进行一项稳定负载运行的实际温度分布测试，必须花费7-8小时，温度才能稳定，然而应用本发明只在被试电机端部方便地胶上1-3个传感器进行一次简单测试建立准确的仿真模型即可，而无须在制造过程进行，在建立仿真模型后却只需要2-3分钟就完成上述需要花费7-8小时才能完成的一项稳定负载运行的实际温度分布测试，更何况从此可以方便地进行各种任意故障与运行状态下温度分布测试。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于三维温度场仿真模型的电机运行三维温度场分布的虚拟测试方法，实现了电机运行三维温度场分布的虚拟测试。

为实现上述目的，本发明方法的特征在于步骤如下：

步骤1：安装基于三维温度场仿真软件,建立参数化电机三维温度场建模程序；

步骤2：实际测试环境温度与定子绕组电机传动侧端部靠近接线盒处稳态温度；

步骤3：根据被测试电机的要求将结构尺寸、材料特性参数、实测环境温度与定子绕组电机传动侧端部靠近接线盒处稳态温度输入到基于三维温度场仿真软件建立的参数化电机三维温度场建模程序的结构尺寸和材料特性参数输入界面，建立准确的被测试电机定子三维温度场仿真模型；

步骤4：根据测试的需要输入负载的类型、电机三相电流、环境温度、电源电压参数到被测试电机定子三维温度场仿真模型的温度分布测试界面，在温度分布测试界面选择需要进行温度分布状况测试的电机部件；

步骤5：运行被测试电机定子三维温度场仿真模型的程序；

步骤6：读取、打印需要进行温度分布状况测试的电机部件的温度变化曲线和三维温度分布结果。

所述基于三维温度场仿真软件是ANSYS仿真软件或ANSOFT仿真软件。

本发明的有益效果是：本发明的基于三维温度场仿真模型的电机运行三维温度场分布的虚拟测试方法，可实现包括故障在内的各种运行状态下电机稳态温度分布及瞬态温度变化的虚拟测量，可以给出电机内部任意位置的温度值及不同时刻电机各部位的温度分布图，实现电机运行三维温度场分布的虚拟测试，节省大量实际测试消耗的人力物力与时间，使用方便，不仅可以应用于异步电动机设计，而且可以应用于异步电动机保护。

附图说明

图1是本发明建立温度场模型界面的示意图。

图2是本发明温度测试界面示意图。

具体实施方式

由于电机热特性与热参数的复杂性，只有通过必要的实际测试确定相关热特性与热参数后建立的三维温度场仿真模型才是准确的，本发明在对异步电动机三维温度分布进行必要的实际测试的基础上建立了基于三维温度场仿真软件的参数化电机三维温度场建模程序；异步电动机三维温度分布大量实际测试表明，异步电动机最高温度区是定子绕组电动机传动侧端部靠近接线盒处，根据被测试电机的要求输入结构尺寸、材料特性参数、实测的环境温度与定子绕组电动机传动侧端部靠近接线盒处稳态温度到基于三维温度场仿真软件建立参数化电机三维温度场建模程序的结构尺寸和材料特性参数输入界面，建立准确的被试电机定子三维温度场仿真模型，确定了异步电动机的相关热参数，从而通过简单容易的测试在上述基于三维温度场仿真软件的参数化电机三维温度场建模程序的基础上建立准确的被试电机定子三维温度场仿真模型；再根据测试的需要输入负载的类型、电机三相电流、环境温度、电源电压等参数到被试电机定子三维温度场仿真模型的温度分布测试界面，在温度分布测试界面选择需要进行温度分布状况虚拟测试的电动机部件；运行被试电机定子三维温度场仿真模型的程序；读取、打印需要进行温度分布状况测试的电动机部件的温度变化曲线和三维温度分布结果，可实现包括故障在内的各种运行状态下电机稳态温度分布及瞬态温度变化的虚拟测量，可以给出电机内部任意位置的温度值及不同时刻电机各部位的温度分布图，实现电机运行三维温度场分布的虚拟测试，节省大量实际测试消耗的人力物力与时间，使用方便，不仅可以应用于异步电动机设计，而且可以应用于异步电动机保护。

这里以ANSYS仿真软件为例，为了让一般技术人员能充分的理解本发明，这里介绍下基于ANSYS仿真软件建立参数化电机三维温度场建模程序的理论基础：

对于各向异性介质，直角坐标下的三维导热偏微分方程为(1)：

(1)

式中，T为物体的温度；t为时间；kx 、ky 、kz分别为x、y、z方向的导热系数；ρ为材料的密度；c为材料的比热；qv为热源的发热密度。

对于稳态温度场，温度T不随时间t变化，式(1)中∂T/∂t=0，考虑到边界条件，对导热微分方程的求解可以归为一个边值问题：

(2)

式中S1为第一类边界条件的物体边界，T0为已知边界面的温度；k2为第二类边界条件垂直于界面S2的热传导率；q为通过界面S2 的热流密度；k3为第三类边界条件垂直于界面S3 的热传导率，Tf 为在界面S3 与物体接触的冷却介质的温度，α为在界面S3 与物体接触的冷却介质的换热系数。

对应于式(2)的等价变分为：

(3)

式中，V表示求解域。当泛函取极值，即∂J/∂T=0时，可得单元矩阵方程：

(4)

式中，T 为求解域内全部节点温度所形成的温度列阵；K 和F 分别为总体系数矩阵和总体右端列矢量。再将边界条件代入上式修改，获得一个线性方程组，解此方程组即可得到各个节点的温度值。

因此，本实施例子可采用以下步骤实现：

步骤1：安装基于ANSYS仿真软件建立参数化电机三维温度场建模程序；

步骤2：以型号为Y100L2-4，额定功率为3kW的笼型转子感应电动机为例，实际测试环境温度与定子绕组传动侧端部稳态温度, 实际测试环境温度为20℃，稳态温度为110℃；

步骤3：根据被测试电机的要求将结构尺寸、材料特性参数、实测环境温度与定子绕组电动机传动侧端部靠近接线盒处稳态温度输入到基于三维温度场仿真软件建立参数化电机三维温度场建模程序的结构尺寸和材料特性参数输入界面（如图1所示），建立准确的被试电机定子三维温度场仿真模型；

步骤4：根据测试的需要输入负载的类型、电机三相电流、环境温度、电源电压参数到被试电机定子三维温度场仿真模型的温度分布测试界面（请参见图2），在温度分布测试界面选择需要进行温度分布状况测试的电动机部件；

步骤5：运行被试电机定子三维温度场仿真模型的程序；

步骤6：读取、打印电机定子绕组的温度变化曲线和三维温度分布结果。

值得一提的是，上述的仿真软件也可以是ANSOFT仿真软件,以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (2)

1.一种基于仿真模型的电机运行三维温度场分布的虚拟测试方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：安装基于三维温度场仿真软件,建立参数化电机三维温度场建模程序；

步骤2：实际测试环境温度与定子绕组电机传动侧端部靠近接线盒处稳态温度；

步骤3：根据被测试电机的要求将结构尺寸、材料特性参数、实测环境温度与定子绕组电机传动侧端部靠近接线盒处稳态温度输入到基于三维温度场仿真软件建立的参数化电机三维温度场建模程序的结构尺寸和材料特性参数输入界面，建立准确的被测试电机定子三维温度场仿真模型；

步骤4：根据测试的需要输入负载的类型、电机三相电流、环境温度、电源电压参数到被测试电机定子三维温度场仿真模型的温度分布测试界面，在温度分布测试界面选择需要进行温度分布状况测试的电机部件；

步骤5：运行被测试电机定子三维温度场仿真模型的程序；

步骤6：读取、打印需要进行温度分布状况测试的电机部件的温度变化曲线和三维温度分布结果。

2.根据权利要求1所述的基于仿真模型的电机运行三维温度场分布的虚拟测试方法，其特征在于：所述基于三维温度场仿真软件是ANSYS仿真软件或ANSOFT仿真软件。

Images