CN103400010A

CN103400010A - 一种基于多场耦合技术的永磁同步电机温升散热分析方法

Info

Publication number: CN103400010A
Application number: CN2013103438189A
Authority: CN
Inventors: 张群
Original assignee: INTESIM (DALIAN) CO Ltd
Current assignee: INTESIM (DALIAN) CO Ltd
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-08-08
Also published as: CN103400010B

Abstract

本发明公开了一种基于多场耦合技术的永磁同步电机温升散热分析方法。本发明包括1.通过建立电机电磁场模型进行电磁损耗分析，获得线圈上的铜损、铁芯中的铁损以及永磁材料上的涡流损耗；2.建立电机结构温度场分析和流体散热分析的流固强耦合共轭热传导模型；3.建立电磁损耗分析和流固强耦合共轭热传导分析的双向弱耦合模型；4.利用重复循环迭代方法实现单独物理模型的收敛以及电磁场模型和流固强耦合共轭热传导模型之间的载荷传递的收敛性，当收敛条件满足用户设定条件时，耦合平衡，计算结束。本发明集成了强耦合与弱耦合的优势，实现了在统一软件平台下对电机工作中的温升和散热过程进行精确的仿真，增加了计算时收敛的稳定性，提高了计算精度和计算效率。

Description

一种基于多场耦合技术的永磁同步电机温升散热分析方法

技术领域

本发明涉及仿真技术领域，具体的说是一种适用于新能源汽车用永磁同步电机或其他工业用永磁同步电机电磁生热-热传导-流体散热的耦合分析技术，本发明可以有效提高电机温升散热的分析精度，并优化电机设计分析。

背景技术

随着不可再生能源危机的日趋严峻和环境问题对人类生存威胁的日益加剧，设计和生产代替石油的混合动力汽车或电动汽车已经成为各国关注的焦点。电机驱动装置作为新型动力汽车与传统燃油汽车的主要区别，无疑成为新能源汽车成功设计的关键。电机不同工作状态下的温度分布不仅影响电磁材料的特性，同时也对永磁体的失磁特性有着至关重要的影响，因此温度控制和高精度仿真分析成为新能源汽车用永磁同步电机设计的关键。

目前比较通用的电机分析软件JMAG和ANSOFT-Maxwell自身没有CFD软件模块，传统上，对电机进行温度和冷却分析时，一般采用第三方CFD软件，对冷却液的流体边界进行简化处理。具体的，首先对冷却液在假定的流固耦合界面温度条件下进行求解，获得流固耦合界面的近似散热系数和温度分布，然后将该结果作为电机热分析的输入边界条件进行准静态分析，这样无法保证耦合界面温度连续性和能量守恒，影响温升散热分析的精度，从而影响电机设计的可靠性。

发明内容

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种基于多场耦合技术分析永磁同步电机温升散热的分析方法，该方法能够依据电机的实际几何设计、材料参数、工作条件对电机的电磁场分布、电磁生热、转子定子固体热传导、流体散热进行多场耦合分析，获得高精度的温度分布，保证电机的正常工作状态。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种基于多场耦合技术分析永磁同步电机温升散热的方法集成了电磁-温度-流体场三场分析功能，其实现步骤如下：

步骤1:通过建立电机电磁场模型进行电磁损耗分析，获得线圈上的铜损、铁芯中的铁损以及永磁材料上的涡流损耗；

步骤2:建立电机结构温度场分析和流体散热分析的流固强耦合共轭热传导模型，采用多点约束法即MPC技术确保电机流道固体界面和冷却液界面温度的连续性以及热流的守恒性，以下流固强耦合共轭热传导简称为流固共轭热传导；

步骤3:建立电磁损耗分析和流固共轭热传导分析的双向弱耦合模型：将电磁损耗分析得到的损耗作为生热量通过体积映射和插值方法加载到流固共轭热传导分析中，并将流固共轭热传导分析的温度分布结果映射传递到电磁损耗分析中；

步骤4:利用重复循环迭代方法实现单独物理模型的收敛以及电磁场模型和流固共轭热传导模型之间的载荷传递的收敛性，当收敛条件满足用户设定条件时，耦合平衡，计算结束。所述单独物理模型为电磁场模型和流固共轭热传导模型。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明集成了强耦合方法与弱耦合方法的优势，提出了全新的电机电磁生热-热传导-流体散热的多场双向耦合技术和方法，实现了电机的多物理场高精度温升散热分析；本发明实现了在统一软件平台下对电机工作中的温升和散热过程进行精确的仿真，采用强耦合与弱耦合相结合的方式，增加了计算时收敛的稳定性，提高了计算精度和计算效率。

附图说明

图1：本发明基于多场耦合技术的永磁同步电机温升散热分析方法的步骤流程图；

图2：本发明基于多场耦合技术的永磁同步电机温升散热分析方法功能集成图；

图3：本发明基于多场耦合技术的永磁同步电机温升散热分析方法模型关系图；

图4：本发明实施例电机电流分布及磁化方向示意图；

图5：本发明实施例永磁同步电机的有限元模型示意图；

图6：本发明实施例永磁铁的磁场强度矢量图；

图7：本发明实施例定子的磁场强度矢量图；

图中：1、流体，2、空气，3、气隙，4、定子，5、线圈，6、永磁铁，7、转子。

具体实施方式

下面结合附图以及具体的实施例进一步说明本发明的技术方案：

如图2所示，本发明集成了电磁-温度-流体场三场分析功能，实现了在统一的软件平台下电磁损耗分析功能、结构热传导分析功能以及流体散热分析功能的集成。具体的，如图3所示，通过多点约束法实现了结构温度场分析和流体散热分析的非匹配网格的强耦合；通过求解间耦合接口的载荷传递耦合技术实现了电磁损耗分析和流固共轭热传导分析的双向弱耦合。

如图1所示，本发明主要涉及步骤如下：

步骤1:通过建立电磁场模型进行电磁损耗分析，获得线圈上的铜损、铁芯中的铁损以及永磁铁材料上的涡流损耗；

所述电磁损耗分析包括对电磁势向量采用棱边有限元法进行分析，对麦克斯韦方程进行有限元离散处理并采用拉格朗日乘子法保证解的唯一性。

所述的铁损包括磁滞损耗和涡流损耗。

所述的建立流固强耦合共轭热传导模型包括：

1、建立电机结构温度场分析并创建热传导模块：依据永磁同步电机的实际工作特点，创建温度场分析并在电机模型中不同电机组件之间以不同的方式建立热接触关系，来创建等效热回路；

所述热接触关系包括：

a、对于定子、转子之间的传热，考虑到气隙内流体的流动效应，采用经验公式式（1）进行换热系数的设定：

h_{1} = \frac{6.6}{10^{5}} \frac{v^{0.67}}{d^{0.33}}

式（1）

式中，v为转子转速，单位为cm/s，d为定转子之间的气隙间距，单位为cm，h₁为定转子之间的换热系数，是与转速有关的量，转速越大，换热系数值也对应越大；

b、定子和线圈以及转子和永磁铁之间的接触换热系数的计算方程均采用如式（2）所示，该接触换热系数是与上述定子和线圈或者转子和永磁铁之间物质的热导率λ和定子和线圈或者转子和永磁铁之间的间隙d有关的量；

h_{2} = \frac{λ}{d}

式（2）

c、对于电机模型中其他接触位置，采用多点约束法来实现热量无损失传递的效果；对于和空气接触的位置，均采用和空气对流换热方式散热，最终建立完整的热回路。

在上述热接触关系中设定均采用罚函数方法实现换热系数的设定。

2、创建流体散热分析：采用有限单元法对流体散热分析中的Navier-Stokes方程以及能量守恒方程进行离散，获得以压力、速度、温度为自由度的流体方程；

3、依据流体和电机结构耦合边界条件，建立电机结构温度场分析和流体散热分析的强耦合条件。所述电机结构温度场分析和流体散热分析的强耦合采用多点约束法实现耦合界面温度的连续性以及热流的平衡性，并允许耦合界面非协调网格的剖分，所述非协调网格耦合时使用程序间耦合界面中的网格映射技术。

所述创建电磁损耗分析和流固共轭热传导分析的双向弱耦合模型包含两方面：一是电磁损耗分析到流固共轭热传导分析生热量的传递：电磁生热量从电磁损耗分析网格映射到流固共轭热传导分析网格并进行流固共轭热传导分析；二是流固共轭热传导分析结果对电磁材料特性的影响：通过映射技术把流固共轭热传导分析结果和分析网格传递到电磁损耗分析中，从而考虑温度对电磁材料特性的影响。

具体的包含：

1、在涉及非匹配界面耦合时采用网格映射和插值技术

其中，非匹配界面耦合时采用Bucket Search的映射操作和基于单元局部坐标的线性插值方式。基于单元局部坐标的线性插值方式又包括以下步骤：找到目标点在源项网格上的单元以及局部坐标值，根据源项网格单元各个节点的值，以及目标点在源项网格单元的局部坐标值采用线性插值的方法求得目标点的数值。

2、从电磁场模型到流固共轭热传导模型的热损耗数据传递，以及从流固共轭热传导模型到电磁场模型的温度传递都是通过网络Socket技术进行数据传递，保证了物理场之间在运行过程中的实时数据传递。

步骤4:利用重复循环迭代方法实现单独物理模型的收敛以及电磁场模型和流固共轭热传导模型之间的载荷传递的收敛性，当收敛条件满足用户设定条件时，耦合平衡，计算结束。

为了确保耦合计算的收敛性实现电磁场-流固共轭热传导模型耦合迭代平衡，使用载荷缓和因子技术把载荷缓和因子施加到分析对象模型之间传递过来的载荷向量上，并通过足够的迭代次数实现载荷传递的平衡。

F_i+1=F_i+α×(F_ext-F_i) 式（3）

式（3）中，F_i+1是i+1迭代步传递到受载模型的载荷，F_i是前一迭代步i传递到受载模型的载荷，F_ext是当前的最新的应施加外载，α是缓和因子，数值在（0,1.0）之间；载荷传递收敛控制准则表示如下：

||F_i+1-F_i||/||F_i||<ε 式（4）

式（4）中，ε是实现指定的小数，||*||是向量模。

为了进一步说明本发明的技术方案下文给出一典型的实施例：

本案例通过电磁-温度-流体场三场耦合技术来进行永磁同步电机温升散热分析。在电机的工作过程中，发热是不可避免的。如果电机的温升太高，会影响电机的绝缘性能，威胁到电机的正常工作，因此保证电机的温升在合理的范围内是非常有必要的。通常电机都有冷却系统，例如通风、安装冷却器等来冷却电机，将电机内部的温度控制在一定的范围内。本案例使用多场耦合技术对电机的温升散热过程进行准确的分析。

电机主要由转子，定子，永磁铁，线圈，空气组成。假设为一个4极、24槽的永磁同步电机，电机的材料如表1所示，电流分布及永磁铁磁化方向如图4所示。

表1 材料列表

组件	定子，转子	线圈	永磁铁	空气	流体
						相对磁导率	随温度变化	1	1.03	1	—
电阻率(Ω·m)	—	0.001	—	—	—
						矫顽力(Am)	—	—	920000	—	—

密度(Kg/m³)	7850	8950	7500	1.293	998.2
						热导率(W/(m·K))	23	380	20	0.02624	0.6
比热 (J/(K·Kg))	460	380	460	1012	4182
						粘性系数(Kg/m·s)	—	—	—	—	0.001003

激励为三相电流，电流的具体数值如下所示：

I_U=A*sin(2πft+θπ/180) 式（5）

I_V=A*sin(2πft+(θ-120)π/180) 式（6）

I_W=A*sin(2πft+(θ+120)π/180) 式（7）

其中，I_U，I_V，I_W分别是U，V，W相的电流；A为电流的幅值，值为4A；f是电机的频率，值为60HZ；t为时间；θ是初始相位角，根据电机特性设为240°。

本案例中电机使用冷却水套进行冷却，水套使用了简化模型以流体部分表示，模型如图5所示，材料如表1所示。

建立有限元模型时，对于整个系统做了如下假设：（1）流体为不可压缩牛顿流体，且处于层流状态；（2）材料视为各向同性；（3）电机各部分视为均质发热体，忽略轴向传热，认为电机轴向各个横截面的温度相等。简化后的电机有限元模型如图5所示。

此案例中电机的生热散热分析是通过INTESIM软件进行分析并取得结果的。INTESIM 软件作为通用的工程多物理场仿真及优化平台，具有丰富的物理场模型，包括电磁场、温度场、流体场等；可解决复杂耦合场问题，包括热流体场等。

下面将简要的讲述电机生热散热分析的流程：

步骤1：建立电磁场模型

1、导入网格组件。

2、选择拉格朗日乘子法保证解的唯一性。

3、按照材料列表中创建材料并赋予指定的组件。设置材料的相对磁导率、电阻率及铁损属性。将材料赋予组件，并为组件指定单元类型。

4、设置载荷边界条件。为组件的上下面加载棱边通量约束边界条件、电压约束；旋转部分设置旋转角速度；线圈加载三相电流。

5、设置铁损计算。设置电磁场分析的基本频率，铁损的计算方法。

步骤2：建立温度场分析和流体散热分析的流固共轭热传导模型

1、建立温度场模型并创建热传导模块

（1）导入网格组件。

（2）创建材料，设置热导率、比热及密度。将材料赋予相应的组件，并为组件指定单元类型。

（3）设置载荷边界条件。对组件表面设置表面热对流条件。

（4）建立热接触关系。根据式（1）、式（2）可得，定子、转子之间的换热系数为130W/(m²·K)，定子和线圈以及永磁铁和转子之间的换热系数为100W/(m²·K)，通过罚函数方法建立热接触关系。

2、建立热流体场进行流体散热分析

（1）导入网格组件。

（2）创建材料，设置热导率、比热、密度、粘性系数。将材料赋予组件，并为组件指定单元类型。

（3）设置载荷边界条件。为组件入口设置速度约束边界条件；对流体的内外面设置约束vx=vy=vz=0m/s；流体的上下面设置vz=0m/s；设置入口的温度及出口的压力。

3、设置强耦合条件

设置温度场和热流体场之间的强耦合条件，通过多点约束法实现温度场和热流体场之间耦合界面温度的传递。

步骤3：创建电磁损耗和流固共轭热传导分析的双向弱耦合模型

建立电磁场模型emag和流固共轭热传导模型thermal_fluid。电磁场模型emag包含步骤1中建立的电磁场模型；流固共轭热传导模型thermal_fluid包含步骤2中建立的温度场模型和热流体场模型。

接下来设定电磁场模型emag和流固共轭热传导模型thermal_fluid数据的弱耦合。电磁场模型emag传给流固共轭热传导模型thermal_fluid平均生热量，流固共轭热传导模型将温度传回给电磁场模型，从而建立双向弱耦合模型。

步骤4：程序间弱耦合收敛条件及求解流程控制设定

电磁场模型emag设为瞬态分析，总时间为0.02s，时间子步为0.001s。流固共轭热传导模型thermal_fluid为稳态分析。电磁场模型和流固共轭热传导模型的耦合时间为0.02s；收敛条件为：相对容差设为1E-5。

以上设置完成后，对文件进行求解。利用重复循环迭代方法，当收敛条件满足用户设定条件时，耦合平衡，计算结束。

后处理

计算结束后导入相应的结果数据并查看结果。后处理可输出磁场强度、磁密、电流密度、温度、流速等数据。图6、图7分别为永磁铁、定子的磁场强度矢量图，由图中可以看出磁场强度的方向及分布。

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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于多场耦合技术的永磁同步电机温升散热分析方法，其特征在于：包含以下步骤：

步骤4:利用重复循环迭代方法实现单独物理模型的收敛以及电磁场模型和流固共轭热传导模型之间的载荷传递的收敛性，当收敛条件满足用户设定条件时，耦合平衡，计算结束，其中所述单独物理模型为电磁场模型和流固共轭热传导模型。

2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述的电磁损耗分析包括对电磁势向量采用棱边有限元法进行分析，对麦克斯韦方程进行有限元离散处理并采用拉格朗日乘子法保证解的唯一性。

3.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述的建立流固强耦合共轭热传导模型包括：

ⅰ、建立电机结构温度场分析并创建热传导模块：依据永磁同步电机的实际工作特点，创建温度场分析并在电机模型中不同电机组件之间以不同的方式建立热接触关系，来创建等效热回路；

ⅱ、创建流体散热分析：采用有限单元法对流体散热分析中的Navier-Stokes方程以及能量守恒方程进行离散，获得以压力、速度、温度为自由度的流体方程；

ⅲ、依据流体和电机结构耦合边界条件，建立电机结构温度场分析和流体散热分析的强耦合条件。

4.根据权利要求3所述的分析方法，其特征在于：所述热接触关系包括：

h_{1} = \frac{6.6}{10^{5}} \frac{v^{0.67}}{d^{0.33}}

式（1）

式中，v为转子转速，单位为cm/s，d为定转子之间的气隙间距，其单位为cm，h₁为定子转子之间的换热系数；

b、定子和线圈以及转子和永磁铁之间的接触换热系数均使用如式（2）所示的计算方程：

h_{2} = \frac{λ}{d}

式（2）

式中，λ为定子和线圈或者转子和永磁铁之间物质的热导率，d为定子和线圈或者转子和永磁铁之间的间隙；

c、对于电机模型中其他接触位置，采用多点约束法来实现热量无损失传递的效果；对于和空气接触的位置，均采用和空气对流换热方式散热，建立完整的热回路。

5.根据权利要求4所述的分析方法，其特征在于：所述热接触关系中采用罚函数方法实现换热系数的设定。

6.根据权利要求3所述的分析方法，其特征在于：所述电机结构温度场分析和流体散热分析的强耦合采用多点约束法实现耦合界面温度的连续性以及热流的平衡性，并允许耦合界面非协调网格的剖分，所述非协调网格耦合时使用程序间耦合界面中的网格映射技术。

7.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述创建电磁损耗分析和流固共轭热传导分析的双向弱耦合模型在涉及非匹配界面耦合时采用网格映射和插值技术。

8.根据权利要求7所述的分析方法，其特征在于：所述非匹配界面耦合时网格映射和插值技术为Bucket Search的映射操作和基于单元局部坐标的线性插值方式；其中基于单元局部坐标的线性插值方式又包括以下步骤：找到目标点在源项网格上的单元以及局部坐标值，根据源项网格单元各个节点的值，以及目标点在源项网格单元的局部坐标值采用线性插值的方法求得目标点的数值。

9.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述从电磁场模型到流固共轭热传导模型的热损耗数据传递以及从流固共轭热传导模型到电磁场模型的温度传递都是通过网络Socket技术进行数据传递，以保证了物理场之间在运行过程中的实时数据传递。

10.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述的实现收敛：使用载荷缓和因子技术把载荷缓和因子施加到分析对象模型之间传递过来的载荷向量上，并通过足够的迭代次数实现载荷传递的平衡：

F_i+1=F_i+α×(F_ext-F_i) 式（3）

||F_i+1-F_i||/||F_i||<ε 式（4）

式（4）中，ε是实现指定的小数，||*||是向量模。