CN108733887A - 一种基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法 - Google Patents

一种基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法，通过采用变密度对称网格划分法确定电机绕组、定子齿部和转子齿部的网格划分密度，可有效提高热分析的精度；并且在建立定子槽内模型时，不仅考虑了不同绕组间的热影响，同时还考虑了绝缘材料对热传递的影响，并将槽内气隙单独等效为一部分，因而提高了模型的准确性，进而提高了热分析的精度。从而根据该有限元热分析结果对于改进电机的结构设计可提供有益的指导。

Description

一种基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法
技术领域
本发明涉及开关磁阻电机的热分析领域，具体涉及一种基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法。
背景技术
开关磁阻电机因具有结构简单、起动转矩大、起动电流小、调速范围宽及可靠性高等系列优点而在许多领域得到了日益广泛的应用。在进行开关磁阻电机设计时，不仅需要考虑电机的电磁性能，而且还需考虑其工作时因损耗而产生的温升以及相应的温度分布情况，从而设计出合理的电机结构以利于散热，达到确保电机安全运行的目的。
现有技术中，在针对开关磁阻电机进行热分析时，一般采用简化公式法、等效热路法及有限元法等方法。其中简化公式法和等效热路法所得结果均为平均温度，不能反映开关磁阻电机内各部分的温度分布情况，因而效果有限；而有限元法则克服了上述两种方法的不足，其分析结果能准确反映出开关磁阻电机内部的温度分布情况，因而获得了广泛应用。
在采用有限元法对开关磁阻电机进行热分析时，需对其三维有限元模型进行网格划分，目前常用的网格划分方式主要有自由网格划分和映射网格划分两种。其中自由网格划分一般采用四面体网格，该网格划分法对单元形状没有限制，对模型本身也无特殊要求，自动化程度高；但存在单元数目多、精度低等不足。映射网格划分一般采用六面体网格，分析精度比较高；但这种网格划分法一般采用固定密度的网格划分方式，对于一个有限元模型来说，一般难以将模型划分完整，因而降低了分析的准确度。
发明内容
本发明提供一种基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法，用于克服上述针对开关磁阻电机进行有限元热分析所采用网格划分方法存在的不足。
本发明的第一个方面提供一种基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法，包括
步骤1，根据开关磁阻电机的结构确定热分析建模部位；
步骤2，根据所述热分析建模部位获取建模参数；
步骤3，根据所述建模参数建立开关磁阻电机的三维有限元模型；
步骤4，针对所述三维有限元模型进行网格划分；
其中，电机绕组、定子齿部和转子齿部采用变密度六面体对称网格划分，其余部分采用四面体网格自动划分；
步骤5，针对所述电机绕组、所述定子齿部和所述转子齿部采用变密度六面体对称网格划分法，确定各部分的网格划分密度；
步骤6，根据所述各部分的网格划分密度及所述其余部分采用四面体网格自动划分的方法，对所述三维有限元模型进行有限元热分析。
可选地，所述热分析建模部位具体包括：沿电机轴向取二分之一，定子和转子分别取一槽，至少包括定子铁芯、转子铁芯、两相绕组、机壳、电机端盖、轴承、定子和转子之间的气隙以及绝缘材料。
可选地，所述建模参数包括所述定子铁芯、所述转子铁芯、所述两相绕组、所述机壳、所述电机端盖、所述轴承、所述定子和所述转子之间的气隙及所述绝缘材料的形状、尺寸、各所述热分析建模部位的相对距离和方位以及各所述热分析建模部位的材料属性。
可选地，所述两相绕组满足如下条件：
将所述两相绕组中每相绕组多匝铜线等效为单匝铜线，且所述单匝铜线的截面为长方形，所述单匝铜线表面光滑，内部无杂质；将所述单匝铜线细分为端部绕组和槽内绕组。
可选地，所述端部绕组等效为直线型，且所述端部绕组周围包裹着等厚度的绝缘材料，等效后端部绕组长度为：
式中：所述τ为定子齿间距离，所述h为电机等效绕组的截面宽度。
可选地，所述两相绕组的绝缘材料满足如下条件：
将所述两相绕组中每相绕组包裹多匝铜线的绝缘材料等效为包裹单匝铜线的绝缘材料，所述两相绕组的绝缘材料间存在等宽度的气隙。
可选地，所述两相绕组的绝缘材料间的气隙面积通过如下公式求得：
s＝2n(4r2-πr2)
式中：所述s为绝缘材料间的气隙面积；所述n为所述两相绕组中每相绕组的实际匝数；所述r为实际绕组多匝铜线中每匝铜线的半径。
可选地，所述步骤5中针对所述电机绕组、所述定子齿部和所述转子齿部采用变密度六面体对称网格划分法，确定各部分的网格划分密度，具体包括：
将所述电机绕组、所述定子齿部和所述转子齿部中任一一个作为目标参数；
步骤5-1，以所述目标参数的三维有限元模型作为六面体网格划分的初始密度；
步骤5-2，对所述三维有限元模型进行有限元热分析，得到所述目标参数的初次热分布；
步骤5-3，根据所述目标参数的初次热分布，取其中任意一点的温度作为待比较值；
步骤5-4，对所述目标参数的每个六面体网格进行对称划分，获得目标参数六面体网格划分密度；
步骤5-5，划分后得到的六面体网格，对所述三维有限元模型进行有限元热分析，得到所述目标参数的第二次热分布；
步骤5-6，根据所述第二次热分布，得到所述任意一点的温度，并将所述任意一点的温度与所述初次热分布中对应点的温度进行比较，得到温度偏差ΔTi，为：
ΔTi＝|Ti-Ti-1|
式中：所述Ti为第二次热分布所获得的所述任意一点的温度，所述Ti-1为所述初次热分布所获得的所述任意一点的温度。
步骤5-7，判断所述温度偏差ΔTi是否处在预设阈值范围内，即：
ΔTi≤ΔTa
式中：ΔTa为温度偏差ΔTi的预设阈值。
若在所述预设阈值范围内，则进入步骤5-9；否则，进入步骤5-8。
步骤5-8，将第二次热分布所获得的所述任意一点的温度作为初次热分布中对应点的温度，返回步骤5-4。
步骤5-9，将所述目标参数六面体网格划分密度作为对目标参数进行最终热分析的网格划分密度。
可选地，步骤5-7中，所述ΔTa为可配置参数。
可选地，所述步骤6具体包括：
步骤6-1，根据所述各部分的网格划分密度及所述其余部分采用四面体网格自动划分的方法，对所述开关磁阻电机三维有限元模型进行网格划分；
步骤6-2，针对网格划分后的开关磁阻电机三维有限元模型施加热源和设置边界条件；
步骤6-3，设置所述开关磁阻电机三维有限元模型的对流换热系数；
步骤6-4，针对所述三维有限元模型进行有限元计算，从而完成所述开关磁阻电机的有限元热分析。
可选地，所述步骤6-2中设置边界条件具体包括：
所述开关磁阻电机机壳和端盖的边界温度设置，所述开关磁阻电机三维有限元模型两侧散热方式设置。
可选地，所述开关磁阻电机机壳和端盖的边界温度可设置为环境温度，所述开关磁阻电机三维有限元模型两侧散热方式设置为绝热。
本实施例提供的基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法，通过采用变密度对称网格划分法确定电机绕组、定子齿部和转子齿部的网格划分密度，可有效提高热分析的精度；并且在建立定子槽内模型时，不仅考虑了不同绕组间的热影响，同时还考虑了绝缘材料对热传递的影响，并将槽内气隙单独等效为一部分，因而提高了模型的准确性，进而提高了热分析的精度。从而根据该有限元热分析结果对于改进电机的结构设计可提供有益的指导。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种开关磁阻电机三维有限元模型示意图；
图2为本发明实施例提供的一种定子槽内建模部位的示意图；
图3A为本发明实施例提供的一种基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法流程图；
图3B为本发明实施例提供的另一种基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法流程图；
图4为本发明实施例提供的另一种基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法流程图；
图5为本发明实施例提供的另一种基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法流程图。
具体实施方式
图1为本发明实施例提供的一种开关磁阻电机三维有限元模型示意图，参见图1，该开关磁阻电机三维有限元模型包含：定子铁芯1，转子铁芯2，两相端部绕组3，机壳4，散热筋5，电机端盖6，轴承7，定子和转子之间的气隙8，绝缘材料9。
进一步地，图2为本发明实施例提供的一种定子槽内建模部位的示意图，参见图2，定子槽内建模部位包含：绝缘材料9、两相槽内绕组10以及槽内气隙11。
基于上述开关磁阻电机三维有限元模型以及定子槽内建模部位，下面给出一种基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法的可能的实现方式。具体的，图3A为本发明实施例提供的一种基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法流程图，参见图3A，该方法包括：
步骤1，根据开关磁阻电机的结构确定热分析建模部位；
步骤2，根据所述热分析建模部位获取建模参数；
步骤3，根据所述建模参数建立开关磁阻电机的三维有限元模型；
步骤4，针对所述三维有限元模型进行网格划分；
其中，电机绕组、定子齿部和转子齿部采用变密度六面体对称网格划分，其余部分采用四面体网格自动划分；
步骤5，针对所述电机绕组、所述定子齿部和所述转子齿部采用变密度六面体对称网格划分法，确定各部分的网格划分密度；
步骤6，根据所述各部分的网格划分密度及所述其余部分采用四面体网格自动划分的方法，对所述三维有限元模型进行有限元热分析。
本发明实施例提供的基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法，通过采用变密度对称网格划分法确定电机绕组、定子齿部和转子齿部的网格划分密度，可有效提高热分析的精度；并且在建立定子槽内模型时，不仅考虑了不同绕组间的热影响，同时还考虑了绝缘材料对热传递的影响，并将槽内气隙单独等效为一部分，因而提高了模型的准确性，进而提高了热分析的精度。从而根据该有限元热分析结果对于改进电机的结构设计可提供有益的指导。
可选地，对于上述实施例中，所述热分析建模部位包括但不限于：沿电机轴向取二分之一，定子和转子分别取一槽，至少包括定子铁芯、转子铁芯、两相绕组、机壳、电机端盖、轴承、定子和转子之间的气隙以及绝缘材料。
需要说明的是，对于“其余部分采用四面体网格自动划分”的步骤，图3B为本发明实施例提供的另一种基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法流程图，参见图3B，其中提供了步骤5的可能的实现方式，即：
步骤5，针对所述电机绕组、所述定子齿部和所述转子齿部采用变密度六面体对称网格划分法，确定各部分的网格划分密度；
步骤5B，针对开关磁阻电机的其余部分采用四面体网格自动划分；
可选地，上述实施例中涉及的建模参数，包括但不限于：所述定子铁芯、所述转子铁芯、所述两相绕组、所述机壳、所述电机端盖、所述轴承、所述定子和所述转子之间的气隙及所述绝缘材料的形状、尺寸、各所述热分析建模部位的相对距离和方位以及各所述热分析建模部位的材料属性。
其中，定子铁芯、转子铁芯、两相绕组、机壳、电机端盖、轴承、定子和转子之间的气隙的形状、尺寸、各部位间的相对距离和方位等参数可参考相关技术手册。定子铁芯、转子铁芯、两相绕组、机壳、电机端盖、轴承、定子和转子之间的气隙等部件的材料属性可参考相关材料手册。
具体的，绝缘材料由聚酰亚胺绝缘层、浸渍漆、漆膜等效而来，其等效传热系数由如下公式求得：
式中：λ为绝缘材料的等效传热系数；λ1、λ2、λ3分别为聚酰亚胺绝缘层、浸渍漆、漆膜的传热系数；l1、l2、l3分别为聚酰亚胺绝缘层、浸渍漆、漆膜的厚度。
可选的，对于上述步骤3的实现方式，其中，所述两相绕组满足如下条件：将所述两相绕组中每相绕组多匝铜线等效为单匝铜线，且所述单匝铜线的截面为长方形，所述单匝铜线表面光滑，内部无杂质；将所述单匝铜线细分为端部绕组和槽内绕组。
具体的，所述端部绕组等效为直线型，且所述端部绕组周围包裹着等厚度的绝缘材料，等效后端部绕组长度为：
式中：所述τ为定子齿间距离，所述h为电机等效绕组的截面宽度。
可选地，所述两相绕组的绝缘材料满足如下条件：
将所述两相绕组中每相绕组包裹多匝铜线的绝缘材料等效为包裹单匝铜线的绝缘材料，所述两相绕组的绝缘材料间存在等宽度的气隙。
其中，所述两相绕组的绝缘材料间的气隙面积通过如下公式求得：
s＝2n(4r2-πr2)
式中：所述s为绝缘材料间的气隙面积；所述n为所述两相绕组中每相绕组的实际匝数；所述r为实际绕组多匝铜线中每匝铜线的半径。
可选的，在图3的基础上，图4为本发明实施例提供的另一种基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法流程图，参见图4，步骤5中针对所述电机绕组、所述定子齿部和所述转子齿部采用变密度六面体对称网格划分法，确定各部分的网格划分密度，具体包括：
首先，将电机绕组、定子齿部和转子齿部中任一一个作为目标参数；
步骤5-1，以所述目标参数的三维有限元模型作为六面体网格划分的初始密度；
步骤5-2，对所述三维有限元模型进行有限元热分析，得到所述目标参数的初次热分布；
步骤5-3，根据所述目标参数的初次热分布，取其中任意一点的温度作为待比较值；
步骤5-4，对所述目标参数的每个六面体网格进行对称划分，获得目标参数六面体网格划分密度；
步骤5-5，划分后得到的六面体网格，对所述三维有限元模型进行有限元热分析，得到所述目标参数的第二次热分布；
步骤5-6，根据所述第二次热分布，得到所述任意一点的温度，并将所述任意一点的温度与所述初次热分布中对应点的温度进行比较，得到温度偏差ΔTi，为：
ΔTi＝|Ti-Ti-1|
式中：所述Ti为第二次热分布所获得的所述任意一点的温度，所述Ti-1为所述初次热分布所获得的所述任意一点的温度。
步骤5-7，判断所述温度偏差ΔTi是否处在预设阈值范围内，即：
ΔTi≤ΔTa
式中：ΔTa为温度偏差ΔTi的预设阈值。
若在所述预设阈值范围内，则进入步骤5-9；否则，进入步骤5-8。
步骤5-8，将第二次热分布所获得的所述任意一点的温度作为初次热分布中对应点的温度，返回步骤5-4。
步骤5-9，将所述目标参数六面体网格划分密度作为对目标参数进行最终热分析的网格划分密度。
可选地，步骤5-7中所述ΔTa为可配置参数，可以根据需要进行配置。
具体的，所述步骤5中确定电机绕组、定子齿部和转子齿部的网格划分密度的方法相同。
可选的，在图4的基础上，图5为本发明实施例提供的另一种基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法流程图，参见图5，步骤6具体包括：
步骤6-1，根据所述各部分的网格划分密度及所述其余部分采用四面体网格自动划分的方法，对所述开关磁阻电机三维有限元模型进行网格划分；
步骤6-2，针对网格划分后的开关磁阻电机三维有限元模型施加热源和设置边界条件；
步骤6-3，设置所述开关磁阻电机三维有限元模型的对流换热系数；
步骤6-4，针对所述三维有限元模型进行有限元计算，从而完成所述开关磁阻电机的有限元热分析。
可选地，所述步骤6-2中设置边界条件具体包括：所述开关磁阻电机机壳和端盖的边界温度设置，所述开关磁阻电机三维有限元模型两侧散热方式设置。在上述有限元热分析中，所述步骤6-2中的热源指开关磁阻电机运转中产生的损耗，开关磁阻电机的损耗包括绕组铜耗、铁芯中的铁耗和机械损耗。
可选地，所述开关磁阻电机机壳和端盖的边界温度可设置为环境温度，所述开关磁阻电机三维有限元模型两侧散热方式设置为绝热。
在上述有限元热分析中，步骤6-3中设置电机三维有限元模型的对流换热系数，具体包括：(a)机壳、散热筋与空气间的对流换热系数设置为处处相等；(b)定子和转子之间气隙中对流换热系数的设置，则需先计算出气隙的雷诺数Re及其临界雷诺数Rel，再根据两者的大小来确定其对流换热系数，具体为：
1)计算定子和转子之间气隙的雷诺数Re及其临界雷诺数Rel，分别为：
其中：d1为转子半径，d2为定子半径，δ为定子和转子之间气隙的长度，ωg为转子转速，ν为空气的运动粘度，λ为空气传热系数。
2)根据对雷诺数Re及其临界雷诺数Rel的比较，来确定相应的对流换热系数，具体为：
当Re＜Rel时，表明此时气隙内空气流动为层流，取对流换热系数h为空气的导热系数；
当Re＞Rel时，表明此时气隙内空气流动为湍流，则取对流换热系数h为：
本发明具有如下优点：
(1)采用变密度对称网格划分法确定电机绕组、定子齿部和转子齿部的网格划分密度，可有效提高热分析的精度；
(2)在建立定子槽内模型时，不仅考虑了不同绕组间的热影响，同时还考虑了绝缘材料对热传递的影响，并将槽内气隙单独等效为一部分，因而提高了模型的准确性，进而提高了热分析的精度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法，其特征在于，包括
步骤1，根据开关磁阻电机的结构确定热分析建模部位；
步骤2，根据所述热分析建模部位获取建模参数；
步骤3，根据所述建模参数建立开关磁阻电机的三维有限元模型；
步骤4，针对所述三维有限元模型进行网格划分；
其中，电机绕组、定子齿部和转子齿部采用变密度六面体对称网格划分，其余部分采用四面体网格自动划分；
步骤5，针对所述电机绕组、所述定子齿部和所述转子齿部采用变密度六面体对称网格划分法，确定各部分的网格划分密度；
步骤6，根据所述各部分的网格划分密度及所述其余部分采用四面体网格自动划分的方法，对所述三维有限元模型进行有限元热分析。
2.根据权利要求1所述的基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法，其特征在于，所述热分析建模部位具体包括：沿电机轴向取二分之一，定子和转子分别取一槽，至少包括定子铁芯、转子铁芯、两相绕组、机壳、电机端盖、轴承、定子和转子之间的气隙以及绝缘材料。
3.根据权利要求2所述的基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法，其特征在于，所述建模参数包括所述定子铁芯、所述转子铁芯、所述两相绕组、所述机壳、所述电机端盖、所述轴承、所述定子和所述转子之间的气隙及所述绝缘材料的形状、尺寸、各所述热分析建模部位的相对距离和方位以及各所述热分析建模部位的材料属性。
4.根据权利要求2所述的基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法，其特征在于，所述两相绕组满足如下条件：
将所述两相绕组中每相绕组多匝铜线等效为单匝铜线，且所述单匝铜线的截面为长方形，所述单匝铜线表面光滑，内部无杂质；将所述单匝铜线细分为端部绕组和槽内绕组。
5.根据权利要求4所述的基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法，其特征在于，所述端部绕组等效为直线型，且所述端部绕组周围包裹着等厚度的绝缘材料，等效后端部绕组长度为：
式中：所述τ为定子齿间距离，所述h为电机等效绕组的截面宽度。
6.根据权利要求4所述的基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法，其特征在于，所述两相绕组的绝缘材料满足如下条件：
将所述两相绕组中每相绕组包裹多匝铜线的绝缘材料等效为包裹单匝铜线的绝缘材料，所述两相绕组的绝缘材料间存在等宽度的气隙。
7.根据权利要求6所述的基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法，其特征在于，所述两相绕组的绝缘材料间的气隙面积通过如下公式求得：
s＝2n(4r2-πr2)
式中：所述s为绝缘材料间的气隙面积；所述n为所述两相绕组中每相绕组的实际匝数；所述r为实际绕组多匝铜线中每匝铜线的半径。
8.根据权利要求6所述的基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法，其特征在于，所述步骤5中针对所述电机绕组、所述定子齿部和所述转子齿部采用变密度六面体对称网格划分法，确定各部分的网格划分密度，具体包括：
将所述电机绕组、所述定子齿部和所述转子齿部中任一一个作为目标参数；
步骤5-1，以所述目标参数的三维有限元模型作为六面体网格划分的初始密度；
步骤5-2，对所述三维有限元模型进行有限元热分析，得到所述目标参数的初次热分布；
步骤5-3，根据所述目标参数的初次热分布，取其中任意一点的温度作为待比较值；
步骤5-4，对所述目标参数的每个六面体网格进行对称划分，获得目标参数六面体网格划分密度；
步骤5-5，划分后得到的六面体网格，对所述三维有限元模型进行有限元热分析，得到所述目标参数的第二次热分布；
步骤5-6，根据所述第二次热分布，得到所述任意一点的温度，并将所述任意一点的温度与所述初次热分布中对应点的温度进行比较，得到温度偏差ΔTi，为：
ΔTi＝|Ti-Ti-1|
式中：所述Ti为第二次热分布所获得的所述任意一点的温度，所述Ti-1为所述初次热分布所获得的所述任意一点的温度。
步骤5-7，判断所述温度偏差ΔTi是否处在预设阈值范围内，即：
ΔTi≤ΔTa
式中：ΔTa为温度偏差ΔTi的预设阈值。
若在所述预设阈值范围内，则进入步骤5-9；否则，进入步骤5-8。
步骤5-8，将第二次热分布所获得的所述任意一点的温度作为初次热分布中对应点的温度，返回步骤5-4。
步骤5-9，将所述目标参数六面体网格划分密度作为对目标参数进行最终热分析的网格划分密度。
9.根据权利要求8所述的基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法，其特征在于，步骤5-7中所述ΔTa为可配置参数。
10.根据权利要求8或9所述的基于变密度对称网格划分的开关磁阻电机热分析方法，其特征在于，所述步骤6具体包括：
步骤6-1，根据所述各部分的网格划分密度及所述其余部分采用四面体网格自动划分的方法，对所述开关磁阻电机三维有限元模型进行网格划分；
步骤6-2，针对网格划分后的开关磁阻电机三维有限元模型施加热源和设置边界条件；
步骤6-3，设置所述开关磁阻电机三维有限元模型的对流换热系数；
步骤6-4，针对所述三维有限元模型进行有限元计算，从而完成所述开关磁阻电机的有限元热分析。
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