CN108390607A - 一种多风路复杂流体域交流电动机温度场的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多风路复杂流体域交流电动机温度场的计算方法，该方法包括以下步骤：建立电磁场数值分析模型，通过对电机结构尺寸优化，多次迭代计算电机起动性能和运行性能，直到电机电磁性能满足设计要求；建立复杂流体域的风阻网络计算模型，设定初始风扇压头和风量，通过反复迭代计算风阻网络模型，最终确定电机内部风扇的额定工作点；基于电磁场和流体场计算的结果，考虑交流电动机复杂的通风系统，建立复杂流体域的交流电动机温度场计算模型，采用给定电机入口风温初值的多次迭代计算方法，确定电机入风口风温，解决电机入风口风温无法通过实测方式获得的技术难点。本发明可以广泛应用于涉及复杂流体域的电机结构分析中。

Description

一种多风路复杂流体域交流电动机温度场的计算方法

技术领域

本发明涉及交流电机设计技术领域，尤其涉及一种多风路复杂流体域交流电动机温度场的计算方法。

背景技术

交流电机具有体积小、功率密度大和结构简单的优点，但是在实际运行过程中受定转子损耗非集中式分布的影响，定转子温度场比较复杂，需要对交流电机设计进行深入研究分析。交流电机的设计是一个综合电磁场、流体场和温度场等多种物理场的耦合过程，而且这些物理场之间相互影响、相互制约。特别是高速交流电机设计，除了必须考虑转子临界转速、转子动力学特性等，定转子的热稳定性也是影响高速交流电机稳定运行的关键。

因此，如何准确计算交流电机的电磁场、流体场和温度场成为目前研究的重点。

发明内容

本发明提供了一种基于有限元的电磁-流体-温度多维场耦合多重迭代的数值模拟方法，能够准确的得到电机的最优设计方案及电机内部流体分布、温度场分布。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明提供了一种多风路复杂流体域交流电动机温度场的计算方法，包括如下步骤：

S1：建立包含复杂端部绕组在内的电机电磁场数值分析模型，利用所述电机电磁场数值分析模型对电机电磁场相关参数的设定初值进行迭代计算，优化所述电机电磁场相关参数判断电机电磁性能是否达到设定值，若是，执行S2，否则重新执行S1；

S2：建立风阻网络计算模型，利用所述风阻网络计算模型对电机内部风扇压头和风量的设定初值进行迭代计算，优化所述电机内部风扇压头和风量判断电机内部风路性能是否达到设定值，若是，执行S3，否则重新执行S1；

S3：建立交流电动机流固耦合温度场计算模型和冷却器流固耦合温度场计算模型，利用所述交流电动机流固耦合温度场计算模型和所述冷却器流固耦合温度场计算模型对电机入风口风温的设定初值进行迭代计算，优化所述电机入风口风温判断电机温度场性能是否达到设定值，若是，结束计算，否则重新执行S1。

进一步地，所述电机电磁场相关数值包括电机绕组参数、齿槽数配合参数。

进一步地，所述S2还包括：

利用所述风阻网络计算模型对设定电机内部风扇压头和风量初值进行迭代计算，得到不同风量和不同压力下的风阻变化曲线，利用所述风阻变化曲线和风扇外特性曲线，得到电机内部风扇的额定工作值。

进一步地，所述风扇外特性曲线通过计算风扇的理论全压头H_t、动压头H_d、流体损耗H_v和静压头H_s值确定，具体计算如下：

理论全压头：

动压头：H_d＝0.0625v²

流体损耗：

静压头：H_s＝H_t-H_d-H_v

其中，i为叶片数，W为叶片中部合成速度，b_f为叶片宽度，γ为气体比重，g为重力常数，Cx为叶根阻力系数，Cy为叶根升力系数，D_f为叶片内外径差，为流入角，v为轴向风速，C_u为气流旋绕速度。

进一步地，所述电机电磁场数值分析模型是基于有限单元法，建立待解边值问题的变分数学表达，对整个求解域进行单元剖分，在各个单元内建立分片的插值函数作为解的试探函数，进一步求取泛函的极值，通过求解联立代数方程组，得到各节点变量的值和整个边值问题的数值解，电机电磁场数值分析是基于Maxwell方程，即为如下定律：

其中，为拉普拉斯算符，H为磁场强度，J为电流密度，D为电位移，E为电场强度，B为磁通密度，ρ为电荷密度。

进一步地，所述风阻网络计算模型为等效流体网络模型，电机冷却通道内流进或流出的任一横断面的冷去介质流量相等，即所述等效流体网络模型内部节点为：

ΣQ_i＝0

其中，Q_i为冷却通道内的体积流量；

电机的冷却介质的流动压力变化的总和为0，即所述等效流体网络模型满足如下定律：

∑ΔH_k＝0

其中，ΔH_k为冷却介质流动压力变化。

进一步地，所述交流电动机流固耦合温度场计算模型和所述冷却器流固耦合温度场计算模型满足如下定律：

其中，ρ为流体密度(kg/m3)，u为速度矢量，u、v、w为速度矢量u在x、y、z方向的分量(m/s)，P为流体压力(Pa)，S_u、S_v、S_w为动量守恒广义源项在各个方向的分量，S_T为冷却介质流动时由于粘性作用流体内动能转化的热源，μ为动力粘度系数[kg/(m·s)]，λ为导热系数[W/(m·℃)]，c为比热容[J/(kg·℃)]，T为温度(℃)。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明通过建立电磁场-流体场-温度场耦合计算模型，利用多重迭代计算方法，获得热平衡后的电机温度分布结果。与传统解耦简化模型相比，采用电磁-流体-温度多场耦合分析模型，能够获得更加准确的温度分布，提高温度场计算结果的精度，提升电机设计的可靠性。多风路复杂流体域的多维场耦合多重迭代计算方法可以避免全域温度计算的复杂性，而且物理概念明晰，为多风路交流电机多场耦合计算提供一种新的思路。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种永磁电机的多维场耦合迭代的计算方法的流程图。

图2为本发明实施例提供的电机电磁场模型；

图3为本发明实施例提供的所述复杂流体域永磁电动机内部流阻网络计算图；

图4为本发明实施例提供的以实心转子永磁电动机为例，构建的冷却器三维流体与传热耦合计算模型示意图；

图5为本发明实施例提供的以实心转子永磁电动机为例，构建的电机三维流体与传热耦合计算模型示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例一

本实施例以永磁电动机为例，说明本发明专利的计算方法。并结合图1、图2、图3、图4及图5所示。本发明专利的计算方法同样适用于异步电机及磁阻电机等交流电机。

根据永磁电动机设计尺寸，建立永磁电动机的电磁场数值分析模型，通过求解有限元电磁场模型，得到初始的电机电磁场参数。若计算得到的电磁场参数不符合设计要求，则对电机结构尺寸优化，多次迭代计算电机起动性能和运行性能，直到电机电磁性能满足设计要求；

在电磁场计算的基础上，建立复杂流体域的永磁电动机风阻网络计算模型，设定初始风扇压头和风量，通过反复迭代计算风阻网络模型，最终确定电机内部风扇的额定工作点和风扇风量。进一步判断风扇总排出体积流量是否满足电机内允许温升。即：

其中，q_V为风扇总体积流量，C_a为比热容，Δτ_a为电机允许温升。

若风扇总体积流量不满足电机内允许温升，则通过调整电机通风道尺寸，重新计算电磁场模型和流体风阻网络模型，直到满足电机内允许温升。

基于电磁场和流体场计算的结果，考虑永磁电动机复杂的通风系统，建立复杂流体域的永磁电动机温度场计算模型，采用给定电机入口风温初值的多次迭代计算方法，确定电机入风口风温。通过计算永磁电动机温度场计算模型，得到电机内温度分布。进一步分析电机内各部件的温度是否在允许温升范围内，若是电机各部件不在允许温升范围，一方面通过优化电机尺寸，重新计算永磁电动机电磁场，降低电机内损耗，减少电机的发热量；另一方面对电机通风道进行流体风阻优化，提高电机的冷却散热能力。

实施例二

本实施例提供一种永磁电机的多维场耦合迭代的计算方法，图1为该计算方法的流程图，如图1所示，包括如下步骤：

S1：建立包含复杂端部绕组在内的电机电磁场数值分析模型，利用所述电机电磁场数值分析模型对电机电磁场相关参数的设定初值进行迭代计算，用于优化所述电机电磁场相关参数致使所述电机电磁性能达到设定值，即直到电机电磁性能满足设计要求，否则重新执行S1；电机具体性能值根据不同应用场合有所不同，一般是效率大于92％，功率因数大于0.9。

所述设定初值是根据经验值给定，初值的大小不会影响最终的计算结果，初值会随着耦合计算多次迭代而不断进行修正，找到符合误差范围内的极值。

在一个具体的实施例中，所述电机电磁场相关数值包括电机绕组参数、齿槽数配合参数和永磁体尺寸。

S2：建立风阻网络计算模型，利用所述风阻网络计算模型对电机内部风扇压头和风量的设定初值进行迭代计算，用于优化所述电机内部风扇压头和风量致使电机内部风路性能达到设定值，否则重新执行S1；

在一个具体的实施例中，为了把电机结构件和风摩损耗产生的热量完全带走，利用所述风阻网络计算模型对设定电机内部风扇压头和风量初值进行迭代计算，得到不同风量和不同压力下的风阻变化曲线，利用所述风阻变化曲线和风扇外特性曲线，得到电机内部风扇的额定工作值。

所述风扇外特性曲线通过计算风扇的理论全压头H_t、动压头H_d、流体损耗H_v和静压头H_s值确定，具体计算如下：

理论全压头：

动压头：H_d＝0.0625v²

流体损耗：

静压头：H_s＝H_t-H_d-H_v

式中：i为叶片数，W为叶片中部合成速度，b_f为叶片宽度，γ为气体比重，g为重力常数，Cx为叶根阻力系数，Cy为叶根升力系数、D_f为叶片内外径差，为流入角，v为轴向风速，C_u为气流旋绕速度。

建立交流电动机流固耦合温度场计算模型和冷却器流固耦合温度场计算模型，利用所述交流电动机流固耦合温度场计算模型和冷却器流固耦合温度场计算模型对电机入风口风温的设定初值进行迭代计算，用于优化所述电机入风口风温致使电机温度场性能达到设定值，根据电机负载类型不同，设定值也会不同。

否则重新执行S1。在一个具体的实施例中，电磁场-流体场-温度场多场耦合计算的结果与设计值进行比较，若是计算结果满足电机设计要求，则计算停止；反之，则重复计算电磁场-流体场-温度场，直到计算结果满足电机设计要求为止。设计要求主要分为起动性能指标，如：起动转矩倍数、起动电流倍数；运行性能，如：额定电流、效率、功率因数等。

在一个具体的实施例中，所述电机电磁场数值分析模型是基于有限单元法，建立待解边值问题的变分数学表达，对整个求解域进行单元剖分，在各个单元内建立分片的插值函数作为解的试探函数，进一步求取泛函的极值，通过求解联立代数方程组，得到各节点变量的值和整个边值问题的数值解，电机电磁场数值分析是基于Maxwell方程，即为如下定律：

其中，为拉普拉斯算符，H为磁场强度，J为电流密度，D为电位移，E为电场强度，B为磁通密度，ρ为电荷密度。

在一个具体的实施例中，所述风阻网络计算模型为等效流体网络模型，电机冷却通道内流进或流出的任一横断面的冷去介质流量相等，即所述等效流体网络模型内部节点为：

∑Q_i＝0

其中，Q_i为冷却通道内的体积流量；

电机的冷却介质的流动压力变化的总和为0，即所述等效流体网络模型满足如下定律：

∑ΔH_k＝0

其中，ΔH_k为冷却介质流动压力变化。

在一个具体的实施例中，所述交流电动机流固耦合温度场计算模型和所述冷却器流固耦合温度场计算模型满足如下定律：

其中，ρ为流体密度(kg/m3)，u为速度矢量，u、v、w为速度矢量u在x、y、z方向的分量(m/s)，P为流体压力(Pa)，S_u、S_v、S_w为动量守恒广义源项在各个方向的分量，S_T为冷却介质流动时由于粘性作用流体内动能转化的热源，μ为动力粘度系数[kg/(m·s)]，λ为导热系数[W/(m·℃)]，c为比热容[J/(kg·℃)]，T为温度(℃)。

综上所述，本发明实施例通过建立电磁场-流体场-温度场耦合计算模型，利用多重迭代计算方法，获得热平衡后的电机温度分布结果。与传统解耦简化模型相比，采用电磁-流体-温度多场耦合分析模型，能够获得更加准确的温度分布，提高温度场计算结果的精度，提升电机设计的可靠性。多风路复杂流体域的多维场耦合多重迭代计算方法可以避免全域温度计算的复杂性，而且物理概念明晰，为多风路交流电机多场耦合计算提供一种新的思路。本发明可以广泛应用于涉及复杂流体域的电机结构分析中。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种多风路复杂流体域交流电动机温度场的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：建立电机电磁场数值分析模型，利用所述电机电磁场数值分析模型对电机电磁场相关参数的设定初值进行迭代计算，优化所述电机电磁场相关参数判断电机电磁性能是否达到设定值，若是，执行S2，否则重新执行S1；

S2：建立风阻网络计算模型，利用所述风阻网络计算模型对电机内部风扇压头和风量的设定初值进行迭代计算，优化所述电机内部风扇压头和风量判断电机内部风路性能是否达到设定值，若是，执行S3，否则重新执行S1；

S3：建立交流电动机流固耦合温度场计算模型和冷却器流固耦合温度场计算模型，利用所述交流电动机流固耦合温度场计算模型和所述冷却器流固耦合温度场计算模型对电机入风口风温的设定初值进行迭代计算，优化所述电机入风口风温判断电机温度场性能是否达到设定值，若是，结束计算，否则重新执行S1。

2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述电机电磁场相关数值包括电机绕组参数、齿槽数配合参数。

3.根据权利要求2所述的计算方法，其特征在于，所述S2还包括：

利用所述风阻网络计算模型对设定电机内部风扇压头和风量初值进行迭代计算，得到不同风量和不同压力下的风阻变化曲线，利用所述风阻变化曲线和风扇外特性曲线，得到电机内部风扇的额定工作值。

4.根据权利要求3所述的计算方法，其特征在于，所述风扇外特性曲线通过计算风扇的理论全压头H_t、动压头H_d、流体损耗H_v和静压头H_s值确定，具体计算如下：

理论全压头：

动压头：H_d＝0.0625v²

流体损耗：

静压头：H_s＝H_t-H_d-H_v

其中，i为叶片数，W为叶片中部合成速度，b_f为叶片宽度，γ为气体比重，g为重力常数，Cx为叶根阻力系数，Cy为叶根升力系数，D_f为叶片内外径差，为流入角，v为轴向风速，C_u为气流旋绕速度。

5.根据权利要求4所述的计算方法，其特征在于，所述电机电磁场数值分析模型是基于有限单元法，建立待解边值问题的变分数学表达，对整个求解域进行单元剖分，在各个单元内建立分片的插值函数作为解的试探函数，进一步求取泛函的极值，通过求解联立代数方程组，得到各节点变量的值和整个边值问题的数值解，电机电磁场数值分析是基于Maxwell方程，即为如下定律：

▽·D＝ρ

▽·B＝0

其中，▽为拉普拉斯算符，H为磁场强度，J为电流密度，D为电位移，E为电场强度，B为磁通密度，ρ为电荷密度。

6.根据权利要求5所述的计算方法，其特征在于，所述风阻网络计算模型为等效流体网络模型，电机冷却通道内流进或流出的任一横断面的冷去介质流量相等，即所述等效流体网络模型内部节点为：

∑Q_i＝0

其中，Q_i为冷却通道内的体积流量；

电机的冷却介质的流动压力变化的总和为0，即所述等效流体网络模型满足如下定律：

∑ΔH_k＝0

其中，ΔH_k为冷却介质流动压力变化。

7.根据权利要求6所述的计算方法，其特征在于，所述交流电动机流固耦合温度场计算模型和所述冷却器流固耦合温度场计算模型满足如下定律：

其中，ρ为流体密度(kg/m3)，u为速度矢量，u、v、w为速度矢量u在x、y、z方向的分量(m/s)，P为流体压力(Pa)，S_u、S_v、S_w为动量守恒广义源项在各个方向的分量，S_T为冷却介质流动时由于粘性作用流体内动能转化的热源，μ为动力粘度系数[kg/(m·s)]，λ为导热系数[W/(m·℃)]，c为比热容[J/(kg·℃)]，T为温度(℃)。