CN104182580A - 一种永磁风力发电机中涡流损耗分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁风力发电机中涡流损耗分析方法，该方法步骤为：(1)根据涡流损耗形成机理和部位的不同，将其获取方式分为MFS单代码耦合方式及EFEM棱边有限元耦合方式；(2)分别对相同耦合方式的部件模型进行组合后网格划分；(3)对组合后的模型设定统一载荷；(4)对MFS单代码耦合方式的组建模型采取插值法进行载荷转移，通过多场求解器交错迭代求解场分布；(5)采用并行算法求解瞬态电磁场及温度场；(6)将不同组件模型的电磁场和温度场在对应模型上予以体现。本发明的技术方案采用单代码双向耦合分析和棱边有限元法的单向耦合分析的电磁场与温度场耦合法应用到定子铁心、转子永磁体及沟槽分区域式的涡流损耗获取中，结果将涡流损耗转换为热功率并以温度场分布体现，准确直观。

Description

一种永磁风力发电机中涡流损耗分析方法

技术领域

本发明属于仿真技术领域，具体是一种针对新能源应用领域中广泛的永磁风力发电机中进行涡流损耗的分析方法，即，永磁风力发电机中涡流损耗分析方法。

背景技术

目前,由于不可再生能源日趋枯竭等因素的影响,风能已成为21世纪最有发展前景的绿色能源之一,凭借其巨大的商业潜力和环保效益，得到世界各国的普遍重视及开发利用。风能作为一种可持续发展的清洁能源，风力发电技术发展前景美好，这种新的电力来源将逐步进入百姓家庭,最终将成为大众生活的一部分。

随着小型永磁风力发电机应用范围的扩展，电机性能需要不断优化，不仅功率密度成为衡量其性能好坏的参数，而且高效性、高节能率和低损耗也成为研究热点，特别是降低运行温升成为首要任务。然而，温升是各种损耗的综合表象，要想降低温升必须明确产生损耗的热源，以便从根源上解决温升问题。对于永磁风力发电机运行过程的损耗大致可分为定子铜损、铁损、转子和沟槽涡流损耗、机械损耗及电气附加损耗，其中前三项损耗在总损耗中占主导地位，而铜损是由电机绕组线径及电流基本决定，难以确定的是定子铁心、转子永磁体及沟槽中的涡流损耗，尤其是对于永磁风力发电机。因此，准确确定涡流损耗及其影响因素，对降低电机总损耗、提高效率以及提升电机的性能都有重要的意义。由于在永磁电机中旋转磁场与感应电流形成的交变磁场共同存在，同时风力发电运行工况的随机性较强，其磁场的控制性小，电磁场属于非线性瞬态场，也是无源涡流场，产生的涡流损耗不仅受磁场交变频率、幅值制约，还与磁场密度及波形密切相关，使得旋转磁场与交变磁场所产生的铁心、永磁体及沟槽涡流损耗不确定性较大。因此，从数值角度准确计算涡流损耗几乎不可能。

2006-2010年期间，哈尔滨工业大学以江善林为首的研究团队针对高速永磁同步电机的损耗分析与温度场计算展开研究，采取了比较经典的Bertotti损耗分离计算模型(1)计算了铁心中的涡流损耗；

$P_{\mathrm{ec}}=k_{\mathrm{ec}}{f}^{1.5}{B_m}^2\frac{\sinh \left(k\sqrt{f}\right)-\sin \left(k\sqrt{f}\right)}{\cosh \left(k\sqrt{f}\right)-\cos \left(k\sqrt{f}\right)}---\left(1\right)$

式中，B_m为磁密幅值，T；f为磁场交变频率，Hz；k_ec、k涡流损耗系数及电压波形系数，取决于硅钢片材料的物化特性；

槽内导体的涡流损耗以计算模型(2)计算。

$P_{\mathrm{eddy}3}=\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}^2{B}^{2}l{d}^4}{128{\mathrm{\ρ}}_c}---\left(2\right)$

式中，d为导体的直径，m；l为导体的长度，m；ρ_c为导体的电阻率，Ω·m；B为磁通密度幅值，T；

而转子涡流损耗通过数学模型(3)式计算。

$P=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{\σ}{L}_m{L}_i{\mathrm{\τ}}_n^3{B}_n^2{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}}^2}{8}\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_n}{3{\mathrm{\τ}}_n}\frac{\sinh \left(\frac{{\mathrm{\δ}}_n}{{\mathrm{\τ}}_n}\right)-\sin \left(\frac{{\mathrm{\δ}}_n}{{\mathrm{\τ}}_n}\right)}{\cosh \left(\frac{{\mathrm{\δ}}_n}{{\mathrm{\τ}}_n}\right)-\cos \left(\frac{{\mathrm{\δ}}_n}{{\mathrm{\τ}}_n}\right)}\right)---\left(3\right)$

式中，n为谐波次数，n＝6k±1，k＝1，2，3…….；B_n为n次谐波磁通密度幅值；ω_en为转子表面涡流成分的角频率；σ为电导率；δ_n和τ_n分别为谐波成分对应的透入深度和极距。

2008-2011年期间，沈阳工业大学的邢军强研究团队在高速永磁电机转子损耗及通风散热研究中近似认为转子涡流损耗主要集中在转子表面,并认为由护套表面高频涡流损耗产生,其护套中的涡流损耗等效为在一个极距分布下长方形薄面的解析计算方法,能够定性分析涡流损耗的大致分布，但准确性较差。即便公认的目前较为准确的Z.Q.Zhu教授等提出的在极坐标系下改进型表贴式磁钢永磁发电机转子涡流损耗计算模型准确度也不够高，即使该计算模型同时将定子磁势的时间谐波与空间谐波加以考虑，也只是适合于计算交叉或非交叉定子绕组电机以及特殊负载条件下的永磁体和保护套涡流损耗，由于该模型忽略了定子开槽以及端部效应的影响，所以应用到运行环境复杂、工况随机性较强的永磁风力发电机的转子涡流损耗计算精度远远达不到要求。

虽然多物理场耦合计算已不是一种新技术，但目前国内外通过电磁场与温度场的耦合研究永磁风力发电机中各处的涡流损耗几乎为空缺，特别是耦合时模型的建立、迭代方法及二场之间载荷的相互传递，这些关键性步骤可行性的强弱直接决定着耦合结果的精确度。2013年，英特工程仿真技术(大连)有限公司提出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的专利申请201310343818.9，该专利申请首次将多场耦合法应用到永磁电机的温升分析，影响力较大，但主要缺点就是三场耦合、两套模型导致载荷传递过程的载荷丢失现象，且换热系数作为流场与温度场之间联系参数是在忽略了气隙径向转速梯度对其的影响而获得，而近似认为气隙速度是转子转速，并采取传统经验公式计算出了对流换热系数，从而由于中间过程的近似造成结果的准确度降低。针对多场耦合载荷不丢失的传递，2013年，三峡大学提出了一项电磁场-流场-温度场耦合计算中的异型网格映射方法的专利申请201310652717.X，该发明特征是通过修正系数企图解决不同物理场耦合计算时不匹配网格的数据传递，然而修正系数的得出过程繁琐且两套模型计算消耗内存较大，最关键不足是修正系数是否准确难以评价。

对上述已有技术分析表明，传统解析法计算涡流损耗虽可精确定量，但模型等效过程忽略和假设太多，使得计算结果与实际偏差较大；而提到的目前最先进的两项相关专利技术，由于均存在不足，使得无法应用到载荷随机性较强的永磁风力发电机的涡流损耗准确计算中。因此，为了避免传统数学模型计算的不准确和大量的计算工作，为了弥补现有电机电磁场和温度场耦合技术的不足，更为了提出一种适合于永磁风力发电机复杂运行条件下变化多端的涡流损耗准确获取，在分析和技术方法中必须有所改进。

发明内容

本发明技术方案就是针对上述涡流损耗的各数学计算模型应用到永磁风力发电机中的不足，特提出了定子铁心、转子永磁体、沟槽的分区域式电磁场与温度场耦合有限元法，将涡流损耗直接转化为热功率，然后以温度场分布形式体现温升情况，模拟过程虽消耗硬件空间较大但结果准确度高，且直观明了。

实现上述发明目的所采用的技术方案为：一种永磁风力发电机中涡流损耗分析方法,其方法步骤如下：(1)对永磁风力发电机中的部件根据涡流损耗形成机理和部位的不同，将其获取方式分为MFS单代码耦合方式及EFEM棱边有限元耦合方式；这里的永磁发电机中涡流损耗形式为MFS单代码耦合方式的部件为定子铁心和转子永磁体，EFEM棱边有限元耦合方式的部件为沟槽；(2)分别对上步相同耦合方式的部件模型进行组合后网格划分；(3)对组合后的模型设定统一载荷，这里的载荷包括三相正弦电流，转子转速以0～1200rpm逐渐上升，然后在以相同形式逐渐下降的往复转动；(4)对MFS单代码耦合方式的组建模型定义电磁场mag1和稳度场the1，并设定两场共同面为载荷转移标识面，在两场的约束条件下采取插值法进行载荷转移、设定交错求解次数、时间频率及收敛值，通过多场求解器交错迭代求解场分布，其具体双向耦合过程为，将mag1场中的焦耳热以载荷的形式传递给the1场，将the1场中的温度以载荷的形式传递给mag1场，从而实现了双向耦合；(5)采用并行算法在进行(4)步的同时对EFEM棱边有限元耦合方式的组件模型设定类型、约束，采用EFEM棱边有限元求解瞬态电磁场mag2，瞬态电磁场的涡流损耗转换为热功率形成的温度场the2，具体过程为：设定时间步长7200s，以矢量插值法直接求解，设定激励为交变电流时谐载荷下的响应，设置分析变化频率为0～50Hz，求解得到的电磁场以磁矢量载荷转移到温度场，实现单向耦合；(6)将(4)、(5)得到的不同组件模型的电磁场和温度场在对应模型上予以体现，具体体现为热流密度及磁密、热功率的空间分布。

上述计算分析中采用了ANSYS软件进行仿真模拟。

本发明的技术方案针对转子永磁体、定子铁心、沟槽三者中机理较复杂的涡流损耗，采取电磁场与温度场耦合法，二场相互迭代计算，将涡流损耗转换为热功率，将单代码双向耦合分析和棱边有限元法的单向耦合分析的电磁场与温度场耦合法应用到定子铁心、转子永磁体及沟槽分区域式的涡流损耗获取中，结果将涡流损耗转换为热功率并以温度场分布体现，准确直观。

附图说明

图1是本发明所述方法的流程示意图；

图2是永磁体为NdFeB退磁曲线为；

图3A、图3B、图3C、图3D分别对应计算中所设置参数磁导率、电

阻率、焓、热传导系数随温度的变化曲线；

图4A、图4B表示了MFS法电磁场与温度场耦合迭代过程；

图5为扇形槽耦合热通密度云图分布；

图6为扇形槽一极永磁体热通密度云图分布；

图7为扇形槽磁密不均匀分布；

图8为扇形槽耦合热梯度云图分布。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，如图1是本发明所述永磁风力发电机中涡流损耗分析方法的流程示意图，如图所示，该方法的步骤为：(1)将产生涡流损耗的三模块分类,由于定子铁心和转子永磁体的涡流损耗均因主磁场与附加磁场交互作用形成的交变磁场在其表面形成回路产生，磁热转换过程相对简单，所以采用了MFS单代码双向耦合法使得电磁场与温度场直接耦合模拟计算；而沟槽的涡流损耗相对复杂，不仅与交变磁场有关，还与槽的几何参数、导体的趋肤效应和邻近效应及导体的位置、直径、长度、电阻率有关，实际上，倘若考虑导体自身涡流形成的磁场影响，则沟槽涡流损耗会更复杂，用解析法准确计算的可能性几乎没有，因此只能选择有限元法,所以采用EFEM棱边有限元单向耦合方式，避免双向迭代过程载荷传递的复杂性，而是先通过EFEM棱边有限元法计算磁场，再将磁场产生的损耗磁功率转换为温度场的热功率；

(2)分别对上步相同耦合方式的部件模型进行组合后网格划分建立模型；

(3)对三模块分别赋予属性，并创建定子铁心与转子永磁体组建ARM,再MESH，然后逐项加载：导体中的电流为三相正弦电流，i_U＝Asin(2πft+απ/180)；i_V＝Asin(2πft+(α-120)π/180)；i_w＝Asin(2πft+(α+120)π/180)，其中A为电流幅值，5.5A；f是频率，值为50Hz；α为初相位，由电机特性可设为240°；转子转速0～1200rpm以阶梯形式逐渐上升，然后在以相同阶梯形式逐渐下降，不断重复；永磁体为NdFeB材料，其退磁曲线为图2所示；

(4)组建ARM采用了MFS单代码双向电磁场与温度场耦合法，具体步骤为：采取MFS方法，其电磁场和温度场应满足下列条件：1)电磁场和温度场分别创建为一个具有独立模型和网格的场，且具有不同的网格离散，唯一准则就是各个场的模型必须有相同几何形貌，即重复的实体模型；2)每一个场由一组单元类型定义，电磁分析选用二维八节点PLANE53单元，热分析选用二维四节点PLANE55单元，且均具有Axisymmetric轴对称分析选项；3)通过耦合面—铁心或永磁体确定为载荷传递区域，在具有相同界面编号的场间发生载荷传递，载荷矢量耦合发生在场之间；4)电磁场和温度场具有不同边界条件、载荷量、分析选项、求解器和输出选项；5)每一个场都可以建立独立结果文件，其中电磁场结果文件扩展名为.rmg,温度场结果文件扩展名.rth。计算设置对应的参数为磁导率、电阻率、焓、热传导系数随温度变化曲线如图3A、图3B、图3C、图3D，具体耦合迭代过程是将mag1场中的焦耳热以载荷的形式传递给the1场，将the1场中的温度以载荷的形式传递给mag1场，从而实现了双向耦合，在所设定收敛域内二场交替迭代求解，其迭代过程如图4A、图4B所示。图5和图6以扇形槽计算结果为例，定子铁心和一极永磁体的涡流损耗所引起的温升现象计算结果；由热流密度可以反映出涡流密度，也可获知引起的温升情况；

(5)加载后的沟槽耦合实现还需要下列流程：a.采用EFEM棱边有限元进行瞬态电磁场计算，首先创建物理环境为Magnetic-Edge以便采取EFEM计算，分析类型为“Transient”；定义电磁场为mag2；设定单元类型为电磁单元SOLID117；设定时间步长选项7200s；设定以矢量插值法直接求解，以保证解的唯一性；设定激励为交变电流时谐载荷下的响应，在分析类型中选择“Harmonic”，设置分析变化频率为0～50Hz；然后求解；b.温度场求解：通过物理场文件转移载荷法将磁场分析mag2.rmg结果文件以磁矢量载荷转移到温度场，实现单向耦合。

(6)将(4)、(5)得到的不同组件模型的电磁场和温度场在对应模型上予以体现，具体体现为热流密度及磁密、热功率的空间分布。图7反映了扇形槽磁密不均匀分布，图8为扇形槽耦合热梯度云图分布，分别均可反映涡流损耗大小。

本申请技术方案的优点和积极效果在于：

(1)省去了各部件涡流损耗常规解析法计算的繁琐等效过程，避免了等效过程大量的近似和假设，使得精度和准确度提高了，且能将涡流损耗带来的后果以转换成的热功率及温升效应直观体现；(2)针对永磁风力发电机运行工况的特殊性，将定子铁心、转子永磁体和沟槽涡流损耗产生的机理不同，分别归类模拟计算；(3)将采用电磁场与温度场耦合研究法应用到电机各部件涡流损耗的计算分析中，实现了涡流损耗产生的源-损耗热功率的形成-传递过程-结果表象一体化的全动态模拟，避免了因能量转移时中间的间歇而造成的损失现象；(4)换热系数加载过程考虑了气隙径向转速梯度；(5)将单代码双向耦合法和棱边有限元法结合自编程序的单向耦合法分别应用到定子铁心、转子永磁体及沟槽涡流损耗的模拟分析计算中，表征了电机中电磁场与温度场之间强耦合关系，也解决了电机因变化的电磁场造成的温升；(6)实现了在同一软件平台中对涡流损耗的产生、热功率的形成、造成的温升结果表象进行了精确的模拟，采用双向和单向相结合的耦合方式，使计算收敛稳定性提高，进而精度和效率得以保证；(7)采用单代码双向耦合法，电磁场和温度场具有独立的、相同的有限元模型，二场只是通过不同类型有限元单元携带对应载荷进行相互迭代计算，通过标识面(体)按相同形状单元对应节点传递着载荷，避免了因模型不同有限单元形状不同而造成的异型网格之间传递载荷的丢失现象，使得两套独立实体模型牺牲硬件的同时大大提高了计算的准确度和精度；(8)棱边有限元法结合自编程序的单向耦合法应用到沟槽复杂的涡流损耗模拟计算中，效果较好，与试验测试结果基本一致，充分证明了自编程序的可靠性和可行性；(9)采取电磁场与温度场耦合研究法研究永磁风力发电机的各部件涡流损耗，可以直接找到产生损耗的根源，为降低总体温升增强散热提供了有力理论基础；(10)该方法可应用到所有内转子式永磁电机涡流损耗的模拟计算中。

以上所述，为本发明内容的较佳实施例，并非对本发明内容作任何限制，凡根据本发明内容技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均属于本发明内容技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种永磁风力发电机中涡流损耗分析方法,其特征在于，该方法步骤如下：(1)对永磁风力发电机中的部件根据涡流损耗形成机理和部位的不同，将其获取方式分为MFS单代码耦合方式及EFEM棱边有限元耦合方式；(2)分别对上步相同耦合方式的部件模型进行组合后网格划分；(3)对组合后的模型设定统一载荷；(4)对MFS单代码耦合方式的组建模型定义电磁场mag1和稳度场the1，并设定两场共同面为载荷转移标识面，在两场的约束条件下采取插值法进行载荷转移、设定交错求解次数、时间频率及收敛值，通过多场求解器交错迭代求解场分布；(5)采用并行算法在进行(4)步的同时，对EFEM棱边有限元耦合方式的组件模型设定类型、约束，采用EFEM棱边有限元求解瞬态电磁场mag2，瞬态电磁场的涡流损耗转换为热功率形成的温度场the2；(6)将(4)、(5)得到的不同组件模型的电磁场和温度场在对应模型上予以体现。 

2.根据权利要求1所述的永磁风力发电机中涡流损耗分析方法，其特征在于，永磁发电机中涡流损耗形式为MFS单代码耦合方式的部件为定子铁心和转子永磁体，EFEM棱边有限元耦合方式的部件为沟槽。 

3.根据权利要求1所述的永磁风力发电机中涡流损耗分析方法，其特征在于，步骤(3)中的载荷包括三相正弦电流，转子转速以0～1200rpm逐渐上升，然后在以相同形式逐渐下降的往复转动。 

4.根据权利要求1所述的永磁风力发电机中涡流损耗分析方法，其特征在于，电磁场mag1和温度场the1的耦合传递方式为，将mag1场中的焦耳热以载荷的形式传递给the1场，将the1场中的温度以载荷的形式传递给mag1场，从而实现了双向耦合。 

5.根据权利要求1所述的永磁风力发电机中涡流损耗分析方法，其特征在于，EFEM棱边有限元耦合方式的组件模型进行求解的过程为，设定时间步长7200s，以矢量插值法直接求解，设定激励为交变电流时谐载荷下的响应，设置分析变化频率为0～50Hz，求解得到的电磁场以磁矢量载荷转移到温度场，实现单向耦合。 

6.根据权利要求1所述的永磁风力发电机中涡流损耗分析方法，其特征在于，不同组件模型的电磁场和温度场通过热流密度及磁密、热功率反应空间涡流损耗的分布。 

7.根据1至6任一权利要所述的永磁风力发电机中涡流损耗分析方法，其特征在于，计算中采用了ANSYS软件进行仿真模拟。