CN109190172A - 基于气隙旋转流的高速电机转子气隙温度场的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种基于气隙旋转流的高速电机转子气隙温度场的计算方法。该方法包括：对高速电机定子、转子间环形气隙内流动满足的泰勒—库特流模型，构建数值模拟结构的同心圆柱体几何模型，确定数值模拟结构的网格数量和分布、流体流动的控制方程、对流体的湍流现象进行模拟的湍流模型、散热系数，从而求解出泰勒—库特流流动换热特性。本发明基于气隙旋转流的泰勒—库特流模型，对流场中速度分布、温度分布、壁面热流密度分布以及不同速度下流场的对流换热特性进行了分析，改变了传统静态等效法，实现了高速电机全域温度场计算的准确性。

Description

基于气隙旋转流的高速电机转子气隙温度场的计算方法

技术领域

本发明涉及高速电机技术领域，尤其涉及一种基于气隙旋转流的高速电机转子气隙温度场的计算方法。

背景技术

高速电机通常是指转速超过10000r/min的电机。对电机而言，无论作为转子温度场计算或是定子温度场，气隙内流体温度和速度值是计算定转子温度的重要边界条件，要不很难确定电机定转子温度。电机气隙是定转子间热量传递的重要媒介，针对小容量电机热传递问题，必须考虑气隙内流体的温度和速度变化情况。但在理论研究时，目前，定转子温度场耦合计算，是把气隙转子旋转状态看成一个静止状态，通过等效导热系数方法，将定转子温度场联系起来，这种方法针对无通风道，转子低速运行的温度场求解问题有一定的有效性。但是，如果是高速电机，或有通风道的，这种固有的计算方法引起的问题就比较突出，势必会引起理论计算误差，因此把气隙转子旋转状态看成一个静止状态的计算方法有一定的局限性。

在此基础上，有必要提出一种基于转子是高速的、或有通风道的气隙旋转流计算方法，充分考虑转子高速旋转状态下温度场计算的准确性，进而改变传统静态等效法，提高对高速电机温度场计算的准确性。

发明内容

本发明的实施例提供了一种基于气隙旋转流的高速电机转子气隙温度场的计算方法，以解决上述背景技术中的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明的实施例提供的一种基于气隙旋转流的高速电机转子气隙温度场的计算方法，其特征在于，该方法包括：

对高速电机定子、转子间环形气隙内流动满足的泰勒—库特流模型，构建数值模拟结构的几何模型；

确定所述数值模拟结构的网格数量和分布；

构建所述数值模拟结构中流体流动的控制方程；

构建对所述数值模拟结构中流体的湍流现象进行模拟的湍流模型；

计算所述数值模拟结构的散热系数；

根据所述数值模拟结构的所述几何模型、网格数量和分布、控制方程、湍流模型和散热系数，求解出泰勒—库特流流动换热特性。

优选地，所述的对高速电机定子、转子间环形气隙内流动满足的泰勒—库特流模型，构建数值模拟结构的几何模型，包括：

高速电机的转子外壁和定子内壁分别形成环形气隙的内、外壁面，在高速电机的定子、转子间环形气隙内的流动存在旋转流，满足泰勒—库特流模型，所述泰勒—库特流模型的几何模型为同心圆柱体，所述几何模型的具体数值为：

外圆柱面半径R1为：10mm，内圆柱面半径R2为：2.6925mm，间隙高度d为：d＝R1-R2，内外半径比为：0.26925，数值模拟结构的轴向长L为：5mm。

优选地，所述的确定数值模拟结构的网格数量和分布，包括：

对所述数值模拟结构整体采用结构化网格，并对局部进行加密，所述数值模拟结构的网格总数量为：77764，在所述数值模拟结构的内外壁面均设置边界层网格，边界层网格均为10层，气隙为6层，增长比例为1.2，所述增长比例为相邻两层网格剖分个数的比例。

优选地，所述的构建所述数值模拟结构中流体流动的控制方程，包括：

所述控制方程包括：连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程，各方程特征分别为：

连续性方程张量形式：

其中，ρ为流体密度，单位为kg/m³，u_i为i方向流体的旋转速度，单位为m/s，x_i为笛卡尔坐标系下x、y、z三个分量，单位为m；

动量守恒方程：

其中，P是微元体上的压力，x_k为k坐标系下分量(m)，u_k为k方向流体的速度，μ为流体动力粘数；

能量守恒方程：

其中，T为温度，λ为流体的导热系数。

5、根据权利要求1所述的基于气隙旋转流的高速电机转子气隙温度场的计算方法，其特征在于，所述的构建对数值模拟结构中流体的湍流现象进行模拟的湍流模型，包括：

在高速电机的高速旋转状态下，湍流模型为：

优选地，所述的计算数值模拟结构的散热系数，包括：

在计算数值模拟结构的散热系数时，先计算热平衡方程；

所述热平衡方程为：

其中，T_air,u是上游空气温度，q是热通量密度，单位为w/m²，是流体的质量流通率，单位为kg/s，c_p是流体比热容，单位为J/kg-K，ΔT为温升，h是经验散热系数，单位为W/m²-K，T_ext是外部温度或液体的参考温度，单位为K，T_air,d是热交换器下游的温度，单位为K，A是换热器的迎风区域；

则考虑流体速度，所述散热系数h的计算式为：

优选地，所述的根据所述数值模拟结构的所述几何模型、网格数量和分布、控制方程、湍流模型和散热系数，求解出泰勒—库特流流动换热特性，包括：

在所述数值模拟结构中，内、外壁面间隙内的空气在常物性和宏观能量守恒的假设条件下，内、外壁面间隙内的空气的流动和能量传递满足连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程，为高速电机泰勒—库特流流动换热特性的求解做准备；

其中，所述动量守恒方程和能量守恒方程采用二阶迎风格式；

式(4)、式(5)中的湍流工况下的湍流模型采用二阶迎风格式；

对速度压力耦合方法采用PISO算法。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过提出了旋转流的概念，对高速电机定子、转子间环形气隙内流动满足的泰勒—库特流模型，构建数值模拟结构的几何模型，确定数值模拟结构的网格数量和分布、流体流动的控制方程、对流体的湍流现象进行模拟的湍流模型、散热系数，从而计算出高速电机转子气隙的温度场。本发明基于气隙旋转流的泰勒—库特流模型，对流场中速度分布、温度分布、壁面热流密度分布以及不同速度下流场的对流换热特性进行了分析，改变了传统静态等效法，实现了高速电机全域温度场计算的准确性。

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基于气隙旋转流的高速电机转子气隙温度场的计算方法的处理流程图；

图2为本发明实施例提供的一种基于气隙旋转流的高速电机转子气隙温度场的计算方法的数值模拟结构的几何模型结构主视图。

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

本发明实施例提供了一种基于气隙旋转流的高速电机转子气隙温度场的计算方法，改变了传统静态等效法，实现了高速电机全域温度场计算的准确性。

本发明实施例提供的一种基于气隙旋转流的高速电机转子气隙温度场的计算方法的处理流程图如图1所示，具体包括如下步骤：

S110：对高速电机定子、转子间环形气隙内流动满足的泰勒—库特流模型，构建数值模拟结构的几何模型。

高速电机的转子外壁和定子内壁分别形成了环形气隙的内、外壁面，在在高速电机的定子、转子间环形气隙内的流动存在旋转流，满足泰勒—库特流模型，所述泰勒—库特流模型的几何模型的为同心圆柱体。

本发明实施例提供的一种基于气隙旋转流的高速电机转子气隙温度场的计算方法的几何模型结构主视图如图2所示，所述几何模型的具体数值为：外圆柱面半径R1为：10mm，内圆柱面半径R2为：2.6925mm，间隙高度d为：d＝R1-R2，内外半径比为：0.26925，数值模拟结构的轴向长L为：5mm。

S120：确定所述数值模拟结构的网格数量和分布。

对所述数值模拟结构整体采用结构化网格，并对局部进行加密，所述数值模拟结构的网格总数量为77764，在所述数值模拟结构的内外壁面均设置边界层网格，边界层网格均为10层，气隙为6层，增长比例为相邻两层网格剖分个数的比例，在此，增长比例为1.2。

S130：构建所述数值模拟结构中流体流动的控制方程。

控制方程包括：连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程，各方程特征分别为：

连续性方程：

其中，ρ为流体密度(kg/m³)u_i为i方向流体的旋转速度(m/s)，x_i为笛卡尔坐标系下x、y、z三个分量(m)；

动量守恒方程：

其中，P是微元体上的压力，x_k为k坐标系下分量(m)，u_k为k方向流体的速度，μ为流体动力粘数；

能量守恒方程：

其中，其中，T为温度，λ为流体的导热系数。

S140：构建对所述数值模拟结构中流体的湍流现象进行模拟的湍流模型。

在高速电机的高速旋转状态下，湍流模型为：

S150：计算所述数值模拟结构的散热系数。

在计算数值模拟结构的散热系数时，先计算热平衡方程；

所述热平衡方程为：

其中，q是热通量密度，单位为w/m²，是流体的质量流通率，单位为kg/s，c_p是流体比热容，单位为J/kg-K，ΔT为温升，h是经验散热系数，单位为W/m²-K，T_ext是外部温度或液体的参考温度，单位为K，T_air,d是热交换器下游的温度，单位为K，A是换热器的迎风区域，单位为m²。

则考虑流体速度，所述散热系数h的计算式为：

S160：根据所述数值模拟结构的所述几何模型、网格数量和分布、控制方程、湍流模型和散热系数，为高速电机泰勒—库特流流动换热特性的求解做准备。

在所述数值模拟结构中，内、外壁面间隙内的空气在常物性和宏观能量守恒的假设条件下，内、外壁面间隙内的空气的流动和能量传递满足连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程，为高速电机泰勒—库特流流动换热特性的求解做准备。

其中，所述动量守恒方程和能量守恒方程采用二阶迎风格式。

式(4)、式(5)中湍流工况下的湍流耗散方程采用二阶迎风格式；

由于速度压力影响散热系数，进而影响温度，所以对速度压力耦合方法采用PISO算法。

本发明实施例提供的计算方法，是针对转子是高速的或有通风道的电机气隙。无论作为转子温度场计算或是定子温度场，气隙内流体温度和速度值是计算定转子温度的重要边界条件，要不很难确定电机定转子温度。电机气隙是定转子间热量传递的重要媒介，针对小容量电机热传递问题，必须考虑气隙内流体的温度和速度变化情况。本发明实施例提出了旋转流概念，进一步寻找定子交界面和转子交界面旋转流的真实变化现象，从而去揭示旋转流的衰减程度对电机内部的影响规律，进而改变了传统静态等效法，实现了高速电机全域温度场计算的准确性。

实施例二

该实施例提供了一种基于气隙旋转流的高速电机转子气隙温度场的计算方法，构建的具体模拟结构如图2所示，具体可以包括如下的内容：

同心圆柱体的特征在于：内圆柱面半径R2＝2.6925mm，外圆柱面半径R1＝10mm，间隙高度d＝R1-R2＝7.3075ram，内外半径比为0.26925，模型轴向长L＝5mm。

整个计算域采用结构化网格，并对局部进行加密。网格总数量为77764。内外壁面均设置边界层网格，边界层网格均为10层，气隙为6层，增长比例为1.2。方程特征如下：

连续性方程：

动量方程：

能量方程：

由于高速旋转状态，湍流模型为：

为了求散热系数，首先考虑热平衡方程：

所述热平衡方程为：

其中，T_air,u是上游空气温度；q是热通量密度，单位为w/m²，是流体的质量流通率，单位为kg/s，c_p是流体比热容，单位为J/kg-K，ΔT为温升，h是经验散热系数，单位为W/m²-K，T_ext是外部温度或液体的参考温度，单位为K，T_air,d是热交换器下游的温度，单位为K，A是换热器的迎风区域，

则考虑流体速度，所述散热系数h的计算式为：

将数值模拟结构的内壁面温度设为350K，外壁面温度设为300K；介质为40℃空气(密度：1.225kg/m)(采用boussinesq假设)。比热容为：1006.43J/kg·K；热导率为：0.0242w/m·K；运动粘性系数为：1.789×10^-5m/s；热膨胀率为(1/K)：0.00319；没有轴向流动。

数值模拟结构的内外壁面间隙内的空气，在常物性和宏观能量守恒的假设条件下，其流动和能量传递满足连续性方程、动量方程和能量方程。速度压力耦合方法采用PISO算法，动量方程、能量方程以及湍流工况下的湍流耗散方程均采用二阶迎风格式。

则计算出的温度场，在数值模拟结构中取距离内壁环5.41×10^-3mm的圆环上的分布数据，如表一和表二所示。其变化规律为：随着转速增大，散热系数增大，切向速度增大，温度逐渐降低。实现了电机全域温度场计算的准确性。

表一：位置一在不同转速下的速度，温度，散热系数的变化

表二：位置二在不同转速下的速度，温度，散热系数的变化

综上所述，本发明实施例通过提出了旋转流的概念，对高速电机定子、转子间环形气隙内流动满足的泰勒—库特流模型，构建数值模拟结构的几何模型，确定数值模拟结构的网格数量和分布、流体流动的控制方程、对流体的湍流现象进行模拟的湍流模型、散热系数，从而计算出高速电机转子气隙的温度场。本发明基于气隙旋转流的泰勒—库特流模型，对流场中速度分布、温度分布、壁面热流密度分布以及不同速度下流场的对流换热特性进行了分析，改变了传统静态等效法，实现了高速电机全域温度场计算的准确性。

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)

1.一种基于气隙旋转流的高速电机转子气隙温度场的计算方法，其特征在于，该方法包括：

对高速电机定子、转子间环形气隙内流动满足的泰勒—库特流模型，构建数值模拟结构的几何模型；

确定所述数值模拟结构的网格数量和分布；

构建所述数值模拟结构中流体流动的控制方程；

构建对所述数值模拟结构中流体的湍流现象进行模拟的湍流模型；

计算所述数值模拟结构的散热系数；

根据所述数值模拟结构的所述几何模型、网格数量和分布、控制方程、湍流模型和散热系数，求解出泰勒—库特流流动换热特性。

2.根据权利要求1所述的基于气隙旋转流的高速电机转子气隙温度场的计算方法，其特征在于，所述的对高速电机定子、转子间环形气隙内流动满足的泰勒—库特流模型，构建数值模拟结构的几何模型，包括：

高速电机的转子外壁和定子内壁分别形成环形气隙的内、外壁面，在高速电机的定子、转子间环形气隙内的流动存在旋转流，满足泰勒—库特流模型，所述泰勒—库特流模型的几何模型为同心圆柱体，所述几何模型的具体数值为：

外圆柱面半径R1为：10mm，内圆柱面半径R2为：2.6925mm，间隙高度d为：d＝R1-R2，内外半径比为：0.26925，数值模拟结构的轴向长L为：5mm。

3.根据权利要求1所述的基于气隙旋转流的高速电机转子气隙温度场的计算方法，其特征在于，所述的确定数值模拟结构的网格数量和分布，包括：

对所述数值模拟结构整体采用结构化网格，并对局部进行加密，所述数值模拟结构的网格总数量为：77764，在所述数值模拟结构的内外壁面均设置边界层网格，边界层网格均为10层，气隙为6层，增长比例为1.2，所述增长比例为相邻两层网格剖分个数的比例。

4.根据权利要求1所述的基于气隙旋转流的高速电机转子气隙温度场的计算方法，其特征在于，所述的构建所述数值模拟结构中流体流动的控制方程，包括：

所述控制方程包括：连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程，各方程特征分别为：

连续性方程张量形式：

其中，ρ为流体密度，单位为kg/m³，u_i为i方向流体的旋转速度，单位为m/s，x_i为笛卡尔坐标系下x、y、z三个分量，单位为m；

动量守恒方程：

其中，P是微元体上的压力，x_k为k坐标系下分量(m)，u_k为k方向流体的速度，μ为流体动力粘数；

能量守恒方程：

其中，T为温度，λ为流体的导热系数。

5.根据权利要求1所述的基于气隙旋转流的高速电机转子气隙温度场的计算方法，其特征在于，所述的构建对数值模拟结构中流体的湍流现象进行模拟的湍流模型，包括：

在高速电机的高速旋转状态下，湍流模型为：

6.根据权利要求1所述的基于气隙旋转流的高速电机转子气隙温度场的计算方法，其特征在于，所述的计算数值模拟结构的散热系数，包括：

在计算数值模拟结构的散热系数时，先计算热平衡方程；

所述热平衡方程为：

其中，T_air,u是上游空气温度，q是热通量密度，单位为w/m²，是流体的质量流通率，单位为kg/s，c_p是流体比热容，单位为J/kg-K，ΔT为温升，h是经验散热系数，单位为W/m²-K，T_ext是外部温度或液体的参考温度，单位为K，T_air,d是热交换器下游的温度，单位为K，A是换热器的迎风区域，单位为m²；

则考虑流体速度，所述散热系数h的计算式为：

7.根据权利要求1所述的基于气隙旋转流的高速电机转子气隙温度场的计算方法，其特征在于，所述的根据所述数值模拟结构的所述几何模型、网格数量和分布、控制方程、湍流模型和散热系数，求解出泰勒—库特流流动换热特性，包括：

在所述数值模拟结构中，内、外壁面间隙内的空气在常物性和宏观能量守恒的假设条件下，内、外壁面间隙内的空气的流动和能量传递满足连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程，为高速电机泰勒—库特流流动换热特性的求解做准备；

其中，所述动量守恒方程和能量守恒方程采用二阶迎风格式；

式(4)、式(5)中的湍流工况下的湍流模型采用二阶迎风格式；

对速度压力耦合方法采用PISO算法。