CN109900477B - 基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型 - Google Patents
基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型,针对无轴承开关磁阻电机稳态温度场计算问题,将无轴承开关磁阻电机各部分采用等效的热阻和细分的热源建模,其中仅定子内表面与气隙空气对流传热热阻、气隙空气与转子外表面对流传热热阻需通过计算流体动力学求解,电机机壳与环境对流换热热阻、定子铁心与机壳接触热阻、绕组绝缘材料传热热阻需通过无轴承开关磁阻电机直流温升测试确定与校准,其余热阻均可通过电机尺寸与材料导热系数解析计算,本发明建立的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场简化模型将双凸极定、转子齿部与轭部及两套绕组热源细分建模,且需整定的热阻参数少,在保证模型工程精度基础上,简化了双绕组无轴承开关磁阻电机温度场计算。
Description
技术领域
本发明涉及电机热分析领域,特别是涉及一种双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型。
背景技术
无轴承开关磁阻电机具有传统开关磁阻电机转子耐热、电机容错性高的特点,并结合了主动磁轴承的思想,实现转子无轴承支撑,大幅提高电机转速。然而无轴承开关磁阻电机绝缘性能与其热性能直接相关,其工作寿命也受到电机最大温升影响,因此无轴承开关磁阻电机热分析问题逐步受到国内外广泛关注。
目前,从国内外文献可知,暂无针对双绕组无轴承开关磁阻电机热分析的研究与应用,已有文献建立了传统开关磁阻电机温度场模型,但模型待整定参数较多,且双绕组结构的无轴承开关磁阻电机较传统开关磁阻电机不同,其定子绕组由主绕组和产生悬浮力所需的悬浮绕组构成,目前尚未有文献研究无轴承开关磁阻电机两套绕组铜损对其热性能的影响,此外也有采用有限元法和计算流体动力学方法的电机热分析方法,此类方法精度较高,但所花费的计算时间远高于热路模型,对于无轴承开关磁阻电机热性能设计与优化等方面应用并不适宜。
发明内容
针对现有技术上存在的不足,本发明针对双绕组无轴承开关磁阻电机稳态温度计算问题,公开一种基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型,其中针对无轴承开关磁阻电机双凸极特点,将其定、转子齿部与轭部铁心损耗热源细分,同时将主绕组、悬浮绕组铜损热源细分,保证了双绕组无轴承开关磁阻电机热分析精度和模型求解速度。
为了解决上述技术问题,本发明的技术方案为:
一种基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型,双绕组无轴承开关磁阻电机的热阻独立设置,定子齿部、定子轭部、转子齿部和转子轭部的铁心损耗热源分别独立设置,主绕组和悬浮绕组分别为独立设置的铜损热源,保证了双绕组无轴承开关磁阻电机热分析精度和模型求解速度。
一种基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型,包括电机机壳与环境对流换热热阻Rcase_amb,定子铁心与机壳接触热阻Rsy_case,端盖与电机内部空气对流热阻Rcap_ia,端盖与主绕组接触热阻Rcase_mwin,端盖与悬浮绕组接触热阻Rcase_swin,定子轭部径向传热热阻Rsy_2r、Rsy_1r和Rsy_3r,定子齿部径向传热热阻Rsp_2r、Rsp_1r和Rsp_3r,主绕组、悬浮绕组与电机内部空气对流热阻Ria_mwin、Ria_swin,主绕组、悬浮绕组绝缘材料传热热阻RInsul_m、RInsul_s,定子内表面与气隙空气对流传热热阻Rsp_air,气隙空气与转子外表面对流传热热阻Rair_rp,转子齿部径向传热热阻Rrp_2r、Rrp_1r和Rrp_3r,转子轭部径向传热热阻Rry_2r、Rry_1r和Rry_3r,转轴传热热阻Rry_shaft;
定子齿部、定子轭部、转子齿部和转子轭部分别为独立的铁心损耗热源包括:定子轭部铁心损耗热源Psy,定子齿部铁心损耗热源Psp,转子齿部铁心损耗热源Prp和转子轭部铁心损耗热源Pry;
主绕组和悬浮绕组分别为独立的铜损热源,包括主绕组铜损热源Pcopper_m和悬浮绕组铜损热源Pcopper_s;
所述电机机壳与环境对流换热热阻Rcase_amb的一端与环境温度Tamb的测量装置相连,另一端与热阻Rsy_case、Rcap_ia、Rcase_mwin、Rcase_sw和Rry_shaft相连,热阻Rsy_case与Rsy_2r相连,热阻Rcap_ia与Ria_mwin、Ria_swin相连,热阻Rsy_1r与Rsp_2r相连,热源Pcopper_m与热阻Rcase_mwin、Ria_mwin、RInsul_m相连,热源Pcopper_s与热阻Rcase_swin、Ria_swin、RInsul_s相连,热阻Rsp_1r与RInsul_m、RInsul_s、Rsp_air相连,热阻Rsp_air与Rair_rp相连,热阻Rair_rp与Rrp_2r相连,热阻Rrp_1r与Rry_2r相连,热阻Rry_1r与Rry_shaft相连;热阻Rsy_2r、Rsy_1r、Rsy_3r与热源Psy构成T型径向传热网络,热阻Rsp_2r、Rsp_1r、Rsp_3r与热源Psp构成T型径向传热网络,热阻Rrp_2r、Rrp_1r、Rrp_3r与Prp构成T型径向传热网络,热阻Rry_2r、Rry_1r、Rry_3r与热源Pry构成T型径向传热网络。
所述定子轭部径向传热热阻Rsy_2r、Rsy_1r和Rsy_3r计算公式为:
其中,kr为铁心材料径向传热系数,L为铁心叠长,R1为定子外半径,R2为定子轭半径;
所述定子齿部径向传热热阻Rsp_2r、Rsp_1r和Rsp_3r计算公式为:
其中,R为定子内径。
所述转子齿部径向传热热阻Rrp_2r、Rrp_1r和Rrp_3r计算公式为:
其中r为转子外半径,ry为转子轭半径;
所述转子轭部径向传热热阻Rry_2r、Rry_1r和Rry_3r计算公式为:
其中rshaft为转子内径。
所述端盖与电机内部空气对流热阻Rcap_ia计算公式为:
其中hcap_ia为端盖与内部空气换热系数,Acap_ia为端盖截面积;
Acap_ia=2π(R1+tec)2 (14)
其中tec为电机外壳厚度。
所述端盖与主绕组接触热阻Rcase_mwin和端盖与悬浮绕组接触热阻Rcase_swin计算公式为:
其中kair为空气传热系数,Lec为电机机壳轴向长度,αreduction为小于1的修正系数,hsy为定子轭厚;
所述主绕组与电机内部空气对流热阻Ria_mwin和悬浮绕组与电机内部空气对流热阻Ria_swin计算公式为:
其中hia_win为空气与绕组换热系数,Aia_win为端部绕组等效表面积;
Aia_win=(Lec-L)2πR (17)。
所述转轴传热热阻Rry_shaft(124)由下式计算:
其中Lshaft为转轴长度。
所述定子内表面与气隙空气对流传热热阻Rsp_air由下式计算:
其中hair_s为定子内表面与气隙空气对流传热系数,通过计算流体动力学方法数值求解,Asi为定子内表面面积;
所述气隙空气与转子外表面对流传热热阻Rair_rp由下式计算:
其中hair_r为气隙空气与转子外表面对流传热系数,需通过计算流体动力学方法数值求解,Aro为转子外表面面积。
所述定子铁心与机壳接触热阻Rsy_case初值计算公式为:
其中lig为机壳与定子外表面装配缝隙长度;
所述主绕组、悬浮绕组绝缘材料传热热阻RInsul_m、RInsul_s初值计算公式为:
其中Aslot为定子槽内表面面积,teq为定子槽中空气与绝缘材料等效厚度,计算公式为:
Sslot为定子槽截面积,Swin为绕组截面积,lslot为定子槽周长,kcu,ir为定子齿槽绝缘材料等效导热系数。
所述电机机壳与环境对流换热热阻Rcase_amb,定子铁心与机壳接触热阻Rsy_case,主绕组、悬浮绕组绝缘材料传热热阻RInsul_m、RInsul_s通过无轴承开关磁阻电机直流温升测试确定与校准。
本发明的有益效果包括:
本发明公开一种基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型,采用了将定、转子齿部与轭部铁心损耗热源细分的建模方法,同时将主绕组、悬浮绕组铜损热源细分,减少了所需整定的热阻参数,保证了双绕组无轴承开关磁阻电机热分析精度和模型求解速度,实现了双绕组无轴承开关磁阻电机温度场计算与热分析。
本发明针对无轴承开关磁阻电机稳态温度场计算问题,将无轴承开关磁阻电机各部分采用等效的热阻和细分的热源建模,其中仅定子内表面与气隙空气对流传热热阻、气隙空气与转子外表面对流传热热阻需通过计算流体动力学求解,电机机壳与环境对流换热热阻、定子铁心与机壳接触热阻、绕组绝缘材料传热热阻需通过无轴承开关磁阻电机直流温升测试确定与校准,其余热阻均可通过电机尺寸与材料导热系数解析计算,本发明建立的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场简化模型将双凸极定、转子齿部与轭部及两套绕组热源细分建模,且需整定的热阻参数少,在保证模型工程精度基础上,简化了双绕组无轴承开关磁阻电机温度场计算。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明;
图1为本发明一种基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型结构图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述,以下实施例只是描述性的,不是限定性的,不能以此限定本发明的保护范围。
为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效,且为了使该评价方法易于明白了解,下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。
如图1所示,一种基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型,双绕组无轴承开关磁阻电机的热阻独立设置,定子齿部、定子轭部、转子齿部和转子轭部的铁心损耗热源分别独立设置,主绕组和悬浮绕组分别为独立设置的铜损热源,保证了双绕组无轴承开关磁阻电机热分析精度和模型求解速度。
一种基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型,包括电机机壳与环境对流换热热阻Rcase_amb101,定子铁心与机壳接触热阻Rsy_case102,端盖与电机内部空气对流热阻Rcap_ia103,端盖与主绕组接触热阻Rcase_mwin104,端盖与悬浮绕组接触热阻Rcase_ swin105,定子轭部径向传热热阻Rsy_2r106、Rsy_1r107和Rsy_3r108,定子齿部径向传热热阻Rsp_ 2r109、Rsp_1r110和Rsp_3r111,主绕组、悬浮绕组与电机内部空气对流热阻Ria_mwin112、Ria_ swin113,主绕组、悬浮绕组绝缘材料传热热阻RInsul_m114、RInsul_s115,定子内表面与气隙空气对流传热热阻Rsp_air116,气隙空气与转子外表面对流传热热阻Rair_rp117,转子齿部径向传热热阻Rrp_2r118、Rrp_1r119和Rrp_3r120,转子轭部径向传热热阻Rry_2r121、Rry_1r122和Rry_ 3r123,转轴传热热阻Rry_shaft124;
定子齿部、定子轭部、转子齿部和转子轭部分别为独立的铁心损耗热源包括:定子轭部铁心损耗热源Psy201,定子齿部铁心损耗热源Psp202,转子齿部铁心损耗热源Prp203和转子轭部铁心损耗热源Pry204;
主绕组和悬浮绕组分别为独立的铜损热源,包括主绕组铜损热源Pcopper_m205和悬浮绕组铜损热源Pcopper_s206;
电机机壳与环境对流换热热阻Rcase_amb101的一端与环境温度Tamb的测量装置相连,另一端与热阻Rsy_case102、Rcap_ia103、Rcase_mwin104、Rcase_swin105和Rry_shaft124相连,热阻Rsy_case102与Rsy_2r106相连,热阻Rcap_ia103与Ria_mwin112、Ria_swin113相连,热阻Rsy_1r107与Rsp_2r109相连,热源Pcopper_m205与热阻Rcase_mwin104、Ria_mwin112、RInsul_m114相连,热源Pcopper_ s206与热阻Rcase_swin105、Ria_swin113、RInsul_s115相连,热阻Rsp_1r110与RInsul_m114、RInsul_s115、Rsp_air116相连,热阻Rsp_air116与Rair_rp117相连,热阻Rair_rp117与Rrp_2r118相连,热阻Rrp_ 1r119与Rry_2r121相连,热阻Rry_1r122与Rry_shaft124相连;热阻Rsy_2r106、Rsy_1r107、Rsy_3r108与热源Psy201构成T型径向传热网络,热阻Rsp_2r109、Rsp_1r110、Rsp_3r111与热源Psp202构成T型径向传热网络,热阻Rrp_2r118、Rrp_1r119、Rrp_3r120与Prp203构成T型径向传热网络,热阻Rry_ 2r121、Rry_1r122、Rry_3r123与热源Pry204构成T型径向传热网络。
定子轭部径向传热热阻Rsy_2r106、Rsy_1r107和Rsy_3r108计算公式为:
其中,kr为铁心材料径向传热系数,L为铁心叠长,R1为定子外半径,R2为定子轭半径;
定子齿部径向传热热阻Rsp_2r109、Rsp_1r110和Rsp_3r111计算公式为:
其中,R为定子内径。
转子齿部径向传热热阻Rrp_2r118、Rrp_1r119和Rrp_3r120计算公式为:
其中r为转子外半径,ry为转子轭半径;
转子轭部径向传热热阻Rry_2r121、Rry_1r122和Rry_3r123计算公式为:
其中rshaft为转子内径。
端盖与电机内部空气对流热阻Rcap_ia103计算公式为:
其中hcap_ia为端盖与内部空气换热系数,Acap_ia为端盖截面积;
Acap_ia=2π(R1+tec)2 (14)
其中tec为电机外壳厚度。
端盖与主绕组接触热阻Rcase_mwin104和端盖与悬浮绕组接触热阻Rcase_swin105计算公式为:
其中kair为空气传热系数,Lec为电机机壳轴向长度,αreduction为小于1的修正系数,hsy为定子轭厚;
主绕组与电机内部空气对流热阻Ria_mwin112和悬浮绕组与电机内部空气对流热阻Ria_swin113计算公式为:
其中hia_win为空气与绕组换热系数,Aia_win为端部绕组等效表面积;
Aia_win=(Lec-L)2πR (17)。
转轴传热热阻Rry_shaft124由下式计算:
其中Lshaft为转轴长度。
定子内表面与气隙空气对流传热热阻Rsp_air116由下式计算:
其中hair_s为定子内表面与气隙空气对流传热系数,通过计算流体动力学方法数值求解,Asi为定子内表面面积;
气隙空气与转子外表面对流传热热阻Rair_rp117由下式计算:
其中hair_r为气隙空气与转子外表面对流传热系数,需通过计算流体动力学方法数值求解,Aro为转子外表面面积。
定子铁心与机壳接触热阻Rsy_case102初值计算公式为:
其中lig为机壳与定子外表面装配缝隙长度,其初值取0.037mm;
主绕组、悬浮绕组绝缘材料传热热阻RInsul_m114、RInsul_s115初值计算公式为:
其中Aslot为定子槽内表面面积,teq为定子槽中空气与绝缘材料等效厚度,计算公式为:
Sslot为定子槽截面积,Swin为绕组截面积,lslot为定子槽周长,kcu,ir为定子齿槽绝缘材料等效导热系数。
电机机壳与环境对流换热热阻Rcase_amb101,定子铁心与机壳接触热阻Rsy_case102,主绕组、悬浮绕组绝缘材料传热热阻RInsul_m114、RInsul_s115通过无轴承开关磁阻电机直流温升测试确定与校准。
本领域内的技术人员可以对本发明进行改动或变型的设计但不脱离本发明的思想和范围。因此,如果本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同的技术范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型,其特征在于,
双绕组无轴承开关磁阻电机的热阻独立设置,定子齿部、定子轭部、转子齿部和转子轭部的铁心损耗热源分别独立设置,主绕组和悬浮绕组分别为独立设置的铜损热源;
包括电机机壳与环境对流换热热阻Rcase_amb(101),定子铁心与机壳接触热阻Rsy_case(102),端盖与电机内部空气对流热阻Rcap_ia(103),端盖与主绕组接触热阻Rcase_mwin(104),端盖与悬浮绕组接触热阻Rcase_swin(105),定子轭部径向传热热阻Rsy_2r(106)、Rsy_1r(107)和Rsy_3r(108),定子齿部径向传热热阻Rsp_2r(109)、Rsp_1r(110)和Rsp_3r(111),主绕组与电机内部空气对流热阻Ria_mwin(112),悬浮绕组与电机内部空气对流热阻Ria_swin(113),主绕组绝缘材料传热热阻RInsul_m(114),悬浮绕组绝缘材料传热热阻RInsul_s(115),定子内表面与气隙空气对流传热热阻Rsp_air(116),气隙空气与转子外表面对流传热热阻Rair_rp(117),转子齿部径向传热热阻Rrp_2r(118)、Rrp_1r(119)和Rrp_3r(120),转子轭部径向传热热阻Rry_2r(121)、Rry_1r(122)和Rry_3r(123),转轴传热热阻Rry_shaft(124);
定子齿部、定子轭部、转子齿部和转子轭部分别为独立的铁心损耗热源包括:定子轭部铁心损耗热源Psy(201),定子齿部铁心损耗热源Psp(202),转子齿部铁心损耗热源Prp(203)和转子轭部铁心损耗热源Pry(204);
主绕组和悬浮绕组均为独立的铜损热源,包括主绕组铜损热源Pcopper_m(205)和悬浮绕组铜损热源Pcopper_s(206);
所述电机机壳与环境对流换热热阻Rcase_amb(101)的一端与环境温度Tamb的测量装置相连,另一端与热阻Rsy_case(102)、Rcap_ia(103)、Rcase_mwin(104)、Rcase_swin(105)和Rry_shaft(124)相连,热阻Rsy_case(102)与Rsy_2r(106)相连,热阻Rcap_ia(103)与Ria_mwin(112)、Ria_swin(113)相连,热阻Rsy_1r(107)与Rsp_2r(109)相连,热源Pcopper_m(205)与热阻Rcase_mwin(104)、Ria_mwin(112)、RInsul_m(114)相连,热源Pcopper_s(206)与热阻Rcase_swin(105)、Ria_swin(113)、RInsul_s(115)相连,热阻Rsp_1r(110)与RInsul_m(114)、RInsul_s(115)、Rsp_air(116)相连,热阻Rsp_air(116)与Rair_rp(117)相连,热阻Rair_rp(117)与Rrp_2r(118)相连,热阻Rrp_1r(119)与Rry_2r(121)相连,热阻Rry_1r(122)与Rry_shaft(124)相连;热阻Rsy_2r(106)、Rsy_1r(107)、Rsy_3r(108)与热源Psy(201)构成T型径向传热网络,热阻Rsp_2r(109)、Rsp_1r(110)、Rsp_3r(111)与热源Psp(202)构成T型径向传热网络,热阻Rrp_2r(118)、Rrp_1r(119)、Rrp_3r(120)与Prp(203)构成T型径向传热网络,热阻Rry_2r(121)、Rry_1r(122)、Rry_3r(123)与热源Pry(204)构成T型径向传热网络。
9.根据权利要求3所述的一种基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型,其特征在于,
所述电机机壳与环境对流换热热阻Rcase_amb(101),定子铁心与机壳接触热阻Rsy_case(102),主绕组、悬浮绕组绝缘材料传热热阻RInsul_m(114)、RInsul_s(115)通过无轴承开关磁阻电机直流温升测试确定与校准。
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