CN104408237B - 一种获取电机瞬态温度场的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取电机瞬态温度场的方法，所述方法包含以下步骤：步骤一，获取电机的第一有限元模型；步骤二，对所述第一有限元模型进行降阶处理，从而得到所述电机的降阶模型；步骤三，对所述降阶模型进行求解，从而得到所述降阶模型的计算结果；步骤四，将所述计算结果映射到所述第一有限元模型，从而得到所述第一有限元模型中每个节点在不同时刻的温度映射。与现有技术相比，本发明的电机瞬态温度场获取方法不仅保证了电机瞬态温度场获取结果的准确性，而且减少了计算量，提高了计算效率。同时相较于现有技术中的方法，本发明的电机瞬态温度场获取方法不仅适应性强而且操作简便，拥有较高的可操作性以及实用性。

Description

一种获取电机瞬态温度场的方法与装置

技术领域

本发明涉及分析及测量控制技术领域，具体说涉及一种获取电机瞬态温度场的方法与装置。

背景技术

电机作为一种机电能量转换装置，其在运行过程中会产生铁损、铜损和机械损耗等损耗，从而导致电机温度升高。电机温度升高与电机的使用寿命有着直接的关系，同时也对电机的出力、效率等性能有一定的影响。电机温度升高的具体参数是衡量电机性能的重要指标之一。因此，在衡量电机性能以及监控电机工作状态的过程中，通常会对电机进行热分析，尤其是瞬态热分析从而获取电机温度场。

目前，获取电机温度场主要采用以下几种方法：

(1)热阻抗网络法，主要利用电机多个关键点的热阻与热容、接触热阻、损耗、环境温度和简单的计算公式构成电机的热阻抗网络模型，从而通过计算即可得到电机多个关键点的温升。然而，电机关键点的选取、热阻值、热容值、计算公式、系数的选取等具有一定的局限性，需要通过大量的实验数据或类比的方法来获取，很难对不同型号的电机进行推广应用。

(2)有限元法(Finite Element Method,简称FEM)，主要利用有限元软件建立电机的有限元模型，从而计算稳态或瞬态的温度场。然而，在现有技术中有限元法通常采用简化模型的方法来处理温度场与流体场耦合的问题，并且采用对称性的方式将实际上不对称的模型进行简化处理，这样大大影响了计算结果的准确性。同时，基于有限元模型计算温度场的计算量较大，有限元法的瞬态计算很难应用于实际工程中。

(3)有限体积法，主要利用流体动力学计算(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)软件建立电机和流体区域的仿真模型，计算稳态或瞬态的温度场、流场。有限体积法需要对流体区域建立大量的网格，且边界层和湍流模型对网格的数量和质量提出了很高的要求，导致计算量非常大。与有限元法类似，有限体积法的瞬态计算很难应用于实际工程中。

综上，现有技术中获取电机瞬态温度场的方法不仅没有很好地兼顾获取结果准确性和计算量，并且其可操作性以及实用性都不理想。

因此，针对现有电机瞬态温度场获取方法中存在的问题，需要一种新的电机瞬态温度场获取方法以兼顾获取结果的准确性和计算量从而达到更加理想的可操作性以及实用性。

发明内容

针对现有电机瞬态温度场获取方法无法兼顾计算量和结果准确性的问题，本发明提供了一种获取电机瞬态温度场的方法，所述方法包含以下步骤：

步骤一，获取电机的第一有限元模型；

步骤二，对所述第一有限元模型进行降阶处理，从而得到所述电机的降阶模型；

步骤三，对所述降阶模型进行求解，从而得到所述降阶模型的计算结果；

步骤四，将所述计算结果映射到所述第一有限元模型，从而得到所述第一有限元模型中每个节点在不同时刻的温度映射。

在一实施例中，所述步骤一包含以下步骤：

模型构建步骤，构建所述电机的有限体积法模型和第二有限元模型；

获取对流换热系数分布步骤，对所述有限体积法模型进行稳态计算，从而获取所述电机内部的对流换热系数分布；

映射对流换热系数分布步骤，将所述对流换热系数分布映射到所述第二有限元模型中，从而形成所述第一有限元模型。

在一实施例中，所述模型构建步骤包含以下步骤：

分析所述电机的冷却条件与几何结构对电机温度场产生的影响，从而得到分析结果；

根据所述分析结果确定所要构建的所述有限体积法模型和所述第二有限元模型的类型。

在一实施例中，在所述映射对流换热系数分布步骤中，首先对所述对流换热系数分布进行相应的插值处理，然后将插值处理后的所述对流换热系数分布映射到所述第二有限元模型中。

在一实施例中，所述步骤二包含以下步骤：

提取所述第一有限元模型的热传导矩阵和热容矩阵；

对所述热传导矩阵和所述热容矩阵进行分解；

对分解后的所述热传导矩阵和所述热容矩阵进行降阶处理，从而得到所述降阶模型。

在一实施例中，所述步骤三包含以下步骤：

获取所述电机的损耗值；

基于所述损耗值对所述降阶矩阵进行求解，从而得到所述降阶矩阵的计算结果。

在一实施例中，所述方法还包含步骤五，对所述第一有限元模型中每个节点在不同时刻的温度映射进行云图显示。

本发明还提供了一种获取电机瞬态温度场的装置，所述装置包括：

有限元模型获取模块，用于获取并输出电机的第一有限元模型；

降阶模块，其与所述有限元模型获取模块相连，用于降阶处理所述第一有限元模型，从而获得并输出所述电机的降阶模型；

求解模块，其与所述降阶模块相连，用于求解所述降阶模型，从而获得并输出所述降阶模型的计算结果；

映射模块，其与所述求解模块相连，用于将所述计算结果映射到所述第一有限元模型，从而获得并输出所述第一有限元模型每个节点在不同时刻的温度。

在一实施例中，所述有限元模型获取模块包括：

第一建模单元，用于构建并输出所述电机的有限体积法模型和第二有限元模型；

对流换热系数分布获取单元，其与所述第一建模单元相连，用于根据所述有限体积法模型获取并输出所述电机内部的对流换热系数分布；

第二建模单元，其与所述第一建模单元以及所述对流换热系数分布获取单元相连，用于将所述对流换热系数分布映射到所述第二有限元模型上，从而获取并输出所述第一有限元模型。

在一实施例中，所述装置还包括损耗模块，其与所述求解模块相连，用于获取并输出所述电机的损耗值。

在一实施例中，所述装置还包括显示模块，其与所述映射模块相连，用于显示所述第一有限元模型每个节点在不同时刻的温度。

与现有技术相比，本发明的电机瞬态温度场获取方法不仅保证了电机瞬态温度场获取结果的准确性，而且减少了计算量，提高了计算效率。同时相较于现有技术中的方法，本发明的电机瞬态温度场获取方法不仅适应性强而且操作简便，拥有较高的可操作性以及实用性。

本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一实施例的执行流程图；

图2是根据本发明一实施例的装置结构简图；

图3是一电机的外观示意图；

图4是根据现有技术一电机的温度场分布图；

图5是一电机的截面空气流速分布图；

图6是一电机的空气对流换热系数分布图；

图7是一电机的冷却水对流换热系数分布图；

图8是根据本发明一电机的温度场分布图；

图9和图10分别是一电机在不同功率下温度-时间变化曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

目前的技术中，并没有能够兼顾获取结果准确性和计算量的电机瞬态温度场的获取方法。本发明分析了电机瞬态温度场的计算方法，利用计算流体力学(CFD)方法获得精细网格完整电机的流速分布、温度场分布和对流换热系数分析，通过对流换热系数的插值处理来保证稀疏网格有限元模型边界条件的准确性，利用模型降阶法来使稀疏网格有限元模型的自由度规模大幅缩减，从而在保证计算精度的基础上大幅度提高计算效率。

本发明具体为，预先建立电机的有限体积法模型和原始有限元模型；通过精细网格的有限体积法模型得到完整电机的对流换热系数分布；将对流换热系数分布映射到预先设置的稀疏网格有限元模型上，形成新有限元模型；对新有限元模型进行降阶处理和求解；将降阶模型的计算结果投影到该电机的新有限元模型上，得到其每个节点在不同时刻的温度。本发明的方法不仅最大限度保证了电机瞬态温度场获取结果的准确性，而且最大限度地减少了计算量，极大地提高了计算效率。

接下来基于附图来详细说明本发明的方法的具体执行过程。附图的流程图中示出的步骤可以在包含诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。虽然在流程图中示出了各步骤的逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

在执行本发明的方法过程中，首先要执行步骤S100，获取电机模型。在此步骤中，基于电机的实际参数建立电机的相关模型。现有技术中，建立电机模型的方法之一是热阻抗网络法。其主要利用电机多个关键点的热阻与热容、接触热阻、损耗、环境温度和简单的计算公式构成电机的热阻抗网络模型。但是由于电机关键点的选取、热阻值、热容值、计算公式、系数的选取等具有一定的局限性，需要通过大量的实验数据或类比的方法来获取，因此热阻抗网络法，很难对不同型号的电机进行模型构建。

针对上述热阻抗网络法的局限性，在本实施例中，基于有限元法获取电机模型。图1中虚线框1中所示的步骤即为本实施例中获取电机模型的详细步骤。如图1所示，首先执行步骤S101，构建电机的有限元模型。为区别最终得到的有限元模型，这里把步骤S101中构建的有限元模型命名为第二有限元模型。

在电机实际运行时，定子与气隙之间以及转子与气隙之间主要以对流方式换热，这就导致了温度场与流体场耦合在一起。为利用有限元法简化气隙的问题，现有技术中采用静止流体的导热系数来描述气隙中流动空气的热交换能力，将旋转的转子视为静止不动处理，从而用导热方式换热的效果来等价气隙中对流方式换热的效果。但是，由于这样的方法仍然无法真正解决温度场与流体场耦合在一起的问题，因此在单独的使用有限元模型设置散热边界条件时，只能根据经验公式来选择相应的参数，不能较为真实地反映实际的散热条件。

由于有限元法无法解决温度场与流体场耦合在一起的问题，因此在本实施例中，在执行步骤S101的同时，还执行步骤S102，构建有限体积法模型。有限体积法可以建立电机和流体区域的仿真模型，计算稳态或瞬态的温度场、流场。该方法可以得到较为准确和直观的温度场、流场结果，还可以得到换热系数分布。

本实施例利用有限体积法模型来解决温度场与流体场耦合在一起的问题。不仅考虑到了流固耦合边界上的对流换热系数并非均匀，解决了简单地设为定值或选取不合适的经验公式会导致较大的误差的问题。而且解决了将气隙简化为静止流体的方式无法考虑端部绕组的散热的问题，从而大大提高了计算结果的准确性。

在本实施例中，为了提高模型的准确性，在构建第二有限元模型和有限体积法模型的过程中(S101和S102)，加入了电机的冷却条件与几何结构的分析步骤。在此步骤中，针对电机的冷却条件与几何结构的非对称性对电机温度场产生的影响进行分析，从而得到分析结果。例如：分析电机机壳表面的散热翅片对电机温度场产生的影响；分析电机冷却水槽中水的温升等。

根据分析结果确定所要构建的有限体积法模型和第二有限元模型的类型。在本实施例中，模型的类型包括对称模型和完整模型。例如：当电机机壳表面的散热翅片为不对称结构，并由此导致对电机温度场产生不对称影响大于特定范围(此处的特定范围由最终的温度场结果精度要求等因素决定)时，构建模型类型为完整模型的有限体积法模型和第二有限元模型；当冷却水槽道中水的温升大于3K时构建模型类型为完整模型的有限体积法模型和第二有限元模型。

本实施例通过对冷却条件与不对称的结构的分析，避免了单纯的采用对称性的方式将实际上不对称的模型进行简化处理。从而进一步提高了计算结果的准确性。

在本实施例中，优选采用Altair HyperMesh软件或ANSA软件建立电机的有限体积法模型和原始有限元模型，从而得到高质量的网格模型。有限体积法模型应包含电机本体，还应包含电机内部的流体区域，气隙部位的网格数量应更加密集，有利于确保仿真模型的准确。原始有限元模型的网格尺寸比有限体积法模型大，网格更为稀疏，只对电机本体划分网格，不对流体区域划分网格。

接下来进行步骤S103，获取对流换热系数分布。在本实施例中，基于有限体积法模型获取电机内部流固耦合边界的对流换热系数分布。对流换热系数(又称表面传热系数)是表征流体对流换热强度的重要参数，自然对流、强制对流、相变换热等过程和风冷、水冷、油冷等类型均可用牛顿冷却公式描述，其区别主要体现在对流换热系数的分布与数值上。在步骤S103中，对有限体积法模型进行稳态计算，从而获取对流换热系数分布。优选利用FLUENT或CFX软件对有限体积法模型进行稳态求解计算，得到流固耦合边界的对流换热系数分布。

最后执行步骤S104，映射对流换热系数分布，将对流换热系数分布映射到第二有限元模型上，从而形成第一有限元模型。由于有限体积法模型的网格比第二有限元模型更为细密，两者不一致，对流换热系数分布不能直接传递，需要进行相应的插值处理。因此在映射对流换热系数分布步骤(S104)中，首先对对流换热系数分布进行相应的插值处理，然后将对流换热系数分布插值映射到第二有限元模型中。

在实际操作中，可以利用多种不同的软件执行步骤S104。考虑到软件操作的难易程度，在本实施例中，优选采用FLUENT或CFX软件(相较于其他软件，较容易操作)。首先通过FLUENT或CFX软件获取有限体积法模型流固耦合边界的对流换热系数分布。然后，打开FLUENT或者CFX软件向ANSYS软件进行流体结构界面载荷映射的参数设置。最后，进行相应的读写操作，完成对流换热系数分布插值映射到第二有限元模型的操作，从而得到第一有限元模型。

与现有技术相比，本发明的方法首先通过精细网格的有限体积法模型得到完整电机的对流换热系数分布，保证了温度获取结果的准确性，有利于从整体角度了解电机的温度场分布特点，有效减小有限元法中对流体散热系数的简化与经验修正带来的误差，避免在不满足对称性要求下使用对称有限元模型带来的误差等。

其次，本发明的方法将对流换热系数分布映射到预先设置的稀疏网格第二有限元模型上，形成第一有限元模型，有效地解决了有限体积法和有限元法之间的模型不匹配问题，且通过模型节点数目的大幅度减少，使计算规模有效降低。

由于在利用通过有限元法以及有限体积法构建的模型进行计算时，其计算量都很大。因此综合利用了上述两种方法构建的第一有限元模型的节点数目较大，对其求解计算的矩阵规模为节点数目的平方，需要计算机运算的量很大，为克服这一缺点，本实施例利用模型降阶法对第一有限元模型进行降阶处理。

模型降阶法，主要利用仿真分析软件搭建的环境，调用流体动力学软件软件进行瞬态计算。但受制于有限体积法中的缺点，现有技术中的模型降阶只能尽量将仿真模型的规模减小，影响了计算准确性。本实施例中，采取有限元法以及有限体积法结合的方式构建模型后再进行降阶处理，从而避免了有限体积法的缺点对降阶处理的影响。

获取到电机的第一有限元模型后就可以进行步骤S110，对第一有限元模型进行降阶处理，从而得到电机的降阶模型。

通常，主要利用Simplorer软件与FLUENT软件的结合的方式采用SVD降阶方法实现模型降阶。但是，一方面FLUENT模型要求网格数量多，否则计算准确性受影响，若为了保证计算精度，计算效率又很难提高；另一方面，Simplorer软件与FLUENT软件的操作较为复杂，限制了实际的工程应用。在本实施例中，采用基于Krylov子空间的Arnoldi算法来实现模型降阶，如图1中虚线框2所示，步骤S110包含以下步骤：

首先，提取第一有限元模型的热传导矩阵和热容矩阵(S111)。

然后，对热传导矩阵和所述热容矩阵进行分解(S112)，具体为对热传导矩阵和热容矩阵进行矩阵(LU)分解。在本实施例中，利用矩阵分解程序(开源的superLU)进行分解。

最后，采用基于Krylov子空间的Arnoldi算法对分解后的热传导矩阵和热容矩阵进行降阶处理(S113)。

由于基于Krylov子空间的Arnoldi算法较容易通过编程实现。因此采用基于Krylov子空间的Arnoldi算法进行模型降阶，解决了FLUENT模型要求网格数量过多的问题，兼顾了准确性与计算效率。相较于Simplorer与FLUENT软件的操作过程，使用基于Krylov子空间的Arnoldi算法进行模型降阶的操作过程大大简化，从而提高了方法的操作性与实用性。本发明的方法通过对第一有限元模型进行降阶处理使得后续计算步骤更简练，计算速度更快，并且计算结果的准确性仍可以得到严格保证。

接下来进行步骤S120，对降阶模型进行求解，从而得到降阶模型的计算结果。本实施例使用常微分方程求解器对经过降阶处理的模型进行求解，进而得到降阶模型的计算结果。本发明的方法利用降阶后的模型进行求解，在不影响计算结果准确性的前提下，提高了计算的收敛性，从而大大减小了计算量，缩短了计算时间。使得基于本发明的方法的温度场的瞬态计算可以较容易的应用于实际工程中。

由于在实际运行过程中，电机在不同时刻的损耗值发生变化时，会直接影响电机的瞬态温度分布，所以，为了使得求解的最终结果更加接近实际情况，本实施例中把电机的损耗值作为影响电机的温度的参数加入到计算温度的过程中。

在本实施例中，在执行步骤S120的过程中还加入了步骤S121，获取电机的损耗值。具体操作中，可根据不同时刻及对应的损耗值方式进行输入。然后根据所述损耗值对所述降阶矩阵进行求解，从而得到所述降阶矩阵的计算结果。具体为，通过联合编程的形式，根据损耗值，对降阶矩阵进行求解后，得到降阶矩阵的计算结果。

本实施例通过考虑实际情况中电机损耗不断改变的问题，使得获取到的电机温度更符合实际运行工况。同时，本实施例综合利用Matlab软件提供大量的函数、强大的矩阵运算能力，VC++、VB等高级编程语言执行效率高等优点，通过联合编程的形式，将整个计算过程的不同步骤进行灵活组合并实现有效的封装，有利于进一步提高效率。

不难理解，在本发明的另一实施例中，如果假设电机损耗一直保持不变的话，那么步骤S121就可以省略，在求解步骤S120中就不需考虑电机的损耗改变问题，这就进一步减少了计算量。

最后就可以执行步骤S130，将计算结果映射到第一有限元模型，从而得到第一有限元模型中每个节点在不同时刻的温度映射。由于本实施例需要通过新有限元模型每个节点在不同时刻的温度，反映该电机的瞬态温度场分布，所以，将通过计算得到的降阶模型的计算结果映射到新有限元模型，从而得到新有限元模型每个节点在不同时刻的温度。

通过本实施例获取到电机的瞬态温度场后，可以根据获取的该电机的温度判断其能承受的温度范围，进行对其进行相关的热设计工作，或通过瞬态温升曲线判断电机能在该工况下可靠运行的时间。本实施例不仅保证了电机瞬态温度场获取结果的准确性，而且减少了计算量，提高了计算效率。

通常，在利用工具软件进行模型降阶时为了保证计算速度，输出结果大多是变量的变化曲线。为了使最终获取的电机的瞬态温度场分布更加便于使用，本实施例中还加入了步骤S140，对第一有限元模型中每个节点在不同时刻的温度映射进行云图显示。

为了显示温度场的云图分布，可以利用Matlab软件的patch命令来实现，也可以将每个节点的温度导出至文件，通过ANSYS、Tecplot、Ensight等软件显示温度场的云图。通过Matlab、ANSYS、Tecplot、Ensight等软件显示温度场的云图分布，可以丰富计算结果的表现形式。

由于在现有技术中，对电机已经做了大量地分析。因此在本发明的另一实施例中，在进行步骤S100时，首先要判断是否有可以直接使用的电机的第一有限元模型。如果没有可以直接使用的电机模型，那么就执行虚线方框1内的步骤。如果有可以直接使用的电机模型，那么就对已有的有限元模型进行降阶处理(S140)，以得到降阶处理后的降阶模型。

现阶段，已有大量的研究者采用有限元模型进行温度场计算，可能对模型作了大量的简化处理，但并不影响本实施例的降阶处理。降阶处理后的降阶模型计算精度可以严格保证与人们已有的有限元模型一致。

本发明的方法可以对人们已有的有限元模型进行兼容。通过本发明的一实施例的方案进行降阶处理，不仅可以得到与人们已有的有限元模型一致的计算精度，还可大大提高计算效率。

基于本发明所公开的方法，本发明还公开了一种装置。如图2所示，本发明的装置包括有限元模型获取模块200，其用于获取电机的第一有限元模型并输出。有限元模型获取模块200包括：

第一建模单元201，用于构建电机的有限体积法模型和第二有限元模型并输出；

对流换热系数分布获取单元202，其与第一建模单元相连，用于根据有限体积法模型获取电机内部流固耦合边界的对流换热系数分布并输出；

第二建模单元203，其与第一建模单元201以及对流换热系数分布获取单元202相连，用于将对流换热系数分布映射到第二有限元模型上从而形成第一有限元模型并输出。

本发明的装置还包括降阶模块210，其与有限元模型获取模块200相连，用于对第一有限元模型进行降阶处理，以得到电机的降阶模型并输出。在本实施例中，降阶模块210包括：矩阵提取单元211、矩阵分解单元212、降阶处理单元213.

本发明的装置还包括求解模块220，其与降阶模块相连210，用于对降阶模型进行求解，并将得到的降阶模型的计算结果输出。在本实施例中，求解模块220包括损耗模块222和求解模块221。其中，损耗模块222与求解模块221相连，用于获取电机的损耗值并将损耗值输出到求解模块221。

本发明的装置还包括映射模块230，其与求解模块相连220，用于将计算结果映射到第一有限元模型，并将得到的第一有限元模型每个节点在不同时刻的温度输出。

最后，本发明的装置还包括显示模块240，其与映射模块相连，用于显示第一有限元模型每个节点在不同时刻的温度。

接下来以一个具体的实际例子来描述本发明的方法以及装置的实施效果。以某矿用隔爆一体化变频电机为例。图3为电机的外观示意图，如图3所示，电机包含变频器模块、水冷散热器，电机结构不对称的特点很明显。经过对电机结构以及变频器模块、水冷散热器的分析判断采用完整模型。建立的有限体积法模型的网格尺寸为4mm，网格数量为2280万。

接下来对图3所示的电机进行分析计算，这里需要说明的是，接下来描述的图4、图5、图6、图7以及图8均为由计算机生成的模拟图。上述模拟图由不同灰度的色块构成，以不同的灰度表示相应位置上不同的变量值，因此模拟图中省略了区分物理结构的相应线条。

对有限体积法模型进行额定工况的流体动力学计算可得到如图4和5所示的结果。图4为电机整体的温度场分布，图4中用不同的灰度代表不同的温度。最高温度出现在转子导条上，为120.01℃。图5为电机截面空气流速分布，以不同的灰度代表相应位置不同的空气流速。转子带动气隙中的空气流动，铁心部位空气流速最大可达34.88m/s。通过计算还可以得到如图6所示的电机空气对流换热系数分布以及如图7所示的冷却水对流换热系数分布。如图6所示，以不同的灰度表示相应位置的空气对流换热系数。不同气流被旋转的叶片和转子带动，有较强的对流换热作用，在靠近端环叶片附近的绕组和气隙界面上的对流换热系数出现最大值，为519.67W/(m²·K)。如图7所示，以不同的灰度表示相应位置的冷却水对流换热系数。冷却水在转折区域的对流换热系数值可达最大值，为1.78×10⁴W/(m²·K)。

基于上述结果建立第二有限元模型，网格尺寸取10mm，网格数目为323万，节点数目为294万。将空气和冷却水的对流换热系数分布数据(图6图7中的数据)插值到第二有限元模型中，从而得到第一有限元模型。利用ANSYS软件对第一有限元模型进行额定工况的稳态计算，可得到如图8所示的温度场分布。图8中以不同的灰度表示相应位置的不同温度，计算结果中的最低温度为20.053℃，最高温度为120.147℃。

对最初的有限体积法模型进行流体动力学计算可以得到如图4所示的电机整体温度场分布，图4中，环境温度为20℃，电机中转子的温度最高，为120.01℃。与图8中的最高温度120.147℃非常接近，且温度场分布的特点完全相同，由此可以说明对流换热系数分布数据插值处理的有效性，即最后得到的第一有限元模型具有与有限体积法模型相同的表达能力，可以反映电机的实际情况。

接下来按照本发明的方法依次进行降阶处理、求解、映射计算结果和显示，可得到如图9所示的额定工况下电机各部位最高温度随时间变化的曲线。图9温度-时间坐标系中的曲线描绘的分别为电机的转子、定子、定子绕组、定子铁心以及变流器功率模块芯片位置处的温度变化。如图9所示，转子温度在稳定后的数值(120.147℃)与利用ANSYS软件计算第一有限元模型的结果完全吻合。并且将降阶后的计算结果由ANSYS软件绘制，会得到与图8完全一致的结果图片。由此可以说明降阶处理的有效性，即最后得到的降阶模型具有与第一有限元模型以及最初的有限体积法模型相同的表达能力，可以反映电机的实际情况。相较于图4或图8所示结果的计算过程，图9所示的结果(或是将图9所示结果由ANSYS软件绘制)的计算全过程所需的计算机资源与计算时间均非常小。可以较方便的在实际工况中完成上述瞬态计算。由此可证明本发明的方法可在保证计算精度基础上，最大限度地提升计算效率，可以方便的实现在实际工况下的瞬态计算。

利用本专利所述方法，还可计算损耗改变的情况。从额定工况切换至2.2倍过载，可得到如图10所示的2.2倍过载工况下电机各部位最高温度随时间变化的曲线。图10温度-时间坐标系中的曲线描绘的分别为电机的转子、定子、定子绕组、定子铁心以及变流器功率模块芯片位置处的温度变化。转子最高温度由120.147℃上升到155℃(F级绝缘允许的最高温度)的时间为181s，转子最高温度由120.147℃上升到180℃(H级绝缘允许的最高温度)的时间为343s。温度在10000s后已基本稳定，最终完全稳定的转子最高温度为421.7℃，温度完全稳定的过程需要时间30800s(即8.56h)。根据电机绝缘等级所允许最高温度而确定的过载工作时间，对于电机设计与实际运行具有非常重要的参考价值。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种获取电机瞬态温度场的方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

步骤一，获取电机的第一有限元模型；

步骤二，对所述第一有限元模型进行降阶处理，从而得到所述电机的降阶模型；

步骤三，对所述降阶模型进行求解，从而得到所述降阶模型的计算结果；

步骤四，将所述计算结果映射到所述第一有限元模型，从而得到所述第一有限元模型中每个节点在不同时刻的温度映射；所述步骤一包含以下步骤：

模型构建步骤，构建所述电机的有限体积法模型和第二有限元模型；

获取对流换热系数分布步骤，对所述有限体积法模型进行稳态计算，从而获取所述电机内部的对流换热系数分布；

映射对流换热系数分布步骤，将所述对流换热系数分布映射到所述第二有限元模型中，从而形成所述第一有限元模型；

所述模型构建步骤包含以下步骤：

分析所述电机的冷却条件与几何结构对电机温度场产生的影响，从而得到分析结果；

根据所述分析结果确定所要构建的所述有限体积法模型和所述第二有限元模型的类型，其具体为：当冷却水槽道中水的温升大于3K时，构建模型类型为完整模型的有限体积法模型和第二有限元模型。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述映射对流换热系数分布步骤中，首先对所述对流换热系数分布进行相应的插值处理，然后将插值处理后的所述对流换热系数分布映射到所述第二有限元模型中。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二包含以下步骤：

提取所述第一有限元模型的热传导矩阵和热容矩阵；

对所述热传导矩阵和所述热容矩阵进行分解；

对分解后的所述热传导矩阵和所述热容矩阵进行降阶处理，从而得到所述降阶模型。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三包含以下步骤：

获取所述电机的损耗值；

基于所述损耗值对所述降阶矩阵进行求解，从而得到所述降阶矩阵的计算结果。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包含步骤五，对所述第一有限元模型中每个节点在不同时刻的温度映射进行云图显示。

6.一种采用如权利要求1-5中任一项所述的方法的装置，其特征在于，所述装置包括：

有限元模型获取模块，用于获取并输出电机的第一有限元模型；

降阶模块，其与所述有限元模型获取模块相连，用于降阶处理所述第一有限元模型，从而获得并输出所述电机的降阶模型；

求解模块，其与所述降阶模块相连，用于求解所述降阶模型，从而获得并输出所述降阶模型的计算结果；

映射模块，其与所述求解模块相连，用于将所述计算结果映射到所述第一有限元模型，从而获得并输出所述第一有限元模型每个节点在不同时刻的温度；

所述有限元模型获取模块包括：

第一建模单元，用于构建并输出所述电机的有限体积法模型和第二有限元模型；

对流换热系数分布获取单元，其与所述第一建模单元相连，用于根据所述有限体积法模型获取并输出所述电机内部的对流换热系数分布；

第二建模单元，其与所述第一建模单元以及所述对流换热系数分布获取单元相连，用于将所述对流换热系数分布映射到所述第二有限元模型上，从而获取并输出所述第一有限元模型；

其中，所述第一建模单元具体用于：

分析所述电机的冷却条件与几何结构对电机温度场产生的影响，从而得到分析结果；

根据所述分析结果确定所要构建的所述有限体积法模型和所述第二有限元模型的类型，其具体包括：当冷却水槽道中水的温升大于3K时，构建模型类型为完整模型的有限体积法模型和第二有限元模型。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括损耗模块，其与所述求解模块相连，用于获取并输出所述电机的损耗值。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括显示模块，其与所述映射模块相连，用于显示所述第一有限元模型每个节点在不同时刻的温度。