CN110031506A - 永磁电机气隙导热系数的计算方法 - Google Patents

永磁电机气隙导热系数的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种永磁电机气隙导热系数的计算方法，包括：采集永磁电机各个部件的尺寸和结构参数；根据尺寸和结构参数建立所述永磁电机的二维瞬态电磁场求解物理模型,求解出相关部件的损耗值，并计算出相关部件的热密值；根据永磁电机的各个部件的尺寸建立三维稳态温度场求解模型；根据相关部件的热密值、导热系数以及永磁电机的机壳散热系数，设定气隙导热系数的初始值作为气隙导热系数，通过三维稳态温度场求解模型求解出各个部件的温度；以求解出的温度与各部件的实际测量温度差的绝对值收敛于一定的范围阈值作为约束条件，迭代更新气隙导热系数值。本方法可以准确的计算出气隙导热系数，用于对永磁电机的定转子温度分析。

Description

永磁电机气隙导热系数的计算方法
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种永磁电机气隙导热系数的计算方法。
背景技术
在永磁电机传热分析过程中，气隙导热系数的合理取值对温度计算的准确性具有关键作用。传统方法对永磁电机温度场分析过程中，近似将气隙中空气看作静止状态，对其赋予空气导热系数，但在永磁电机实际运行中，转子旋转对气隙空气流动产生影响，气隙导热系数不再是静止空气的导热系数。电机定转子之间需要通过气隙进行热交换，而静止空气的导热系数与旋转空气导热系数可能相差十几倍，这对永磁电机温度场的计算结果产生很大影响。
因此，合理选取气隙导热系数是对永磁电机的定转子温度分析起到至关重要的作用。
发明内容
本发明提供了一种永磁电机气隙导热系数的计算方法，以准确的计算永磁电机气隙导热系数。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
本发明提供了一种永磁电机气隙导热系数的计算方法，包括：
采集永磁电机各个部件的尺寸和结构参数；
根据所述的尺寸和结构参数建立所述永磁电机的二维瞬态电磁场求解模型，求解出相关部件的损耗值，并根据所述损耗值计算出相关部件的热密值；
根据所述永磁电机的各个部件的尺寸建立三维稳态温度场求解模型；
根据相关部件热密值、各个部件的导热系数以及永磁电机的机壳散热系数，设定气隙导热系数的初始值作为气隙导热系数，通过所述的三维稳态温度场求解模型求解出各个部件的温度；
以所述的求解出各个部件的温度与对应各部件的实际测量温度的残差绝对值收敛一定的范围阈值作为约束条件，迭代更新所述气隙导热系数值，并将符合所述约束条件的气隙导热系数值作为最终的气隙导热系数。
优选地，采集永磁电机各个部件的尺寸和结构参数，包括：采集定子铁心、定子绕组、气隙、转子铁心、永磁体、转轴和机壳的尺寸和结构参数。
优选地，根据所述的尺寸和结构参数建立所述永磁电机的二维瞬态电磁场求解模型，求解出相关部件的损耗值，包括：根据所述的尺寸和结构参数通过Ansoft软件建立所述永磁电机的二维瞬态电磁场求解物理模型,通过对所述的二维瞬态电磁场求解得出相关部件的损耗值。
优选地，根据所述损耗值计算出相关部件的热密值，包括：根据相关部件的损耗值与对应部件的体积比得到对应相关部件的热密值。
优选地，各个部件的导热系数根据各部件的材料确定。
优选地，永磁电机的机壳散热系数根据下式(1)计算：
式中：α为散热系数；v为吹拂散热面的空气流速；θ为机壳外表面温度。
优选地，以所述的求解出的温度与各部件的实际测量温度的残差绝对值收敛于一定的范围阈值作为约束条件，包括以下述公式(2)作为各个部件的约束条件，迭代更新所述气隙导热系数值，直至所有部件均满足该约束条件，则将对应的气隙导热系数值最为最终的气隙导热系数：
其中，T1为某一部件的测试温度值，T2i为与T1对应部件的第i次迭代计算温度值，ε为满足允许要求的残差。
优选地，设定气隙导热系数的初始值作为气隙导热系数,包括：设定所述的气隙导热系数值为0-1。
优选地，求解出相关部件的损耗值，包括：求解出定子铁心损耗值、定子绕组铜耗值和转子永磁体涡流损耗值。
优选地，ε∈(0，10％)。由上述本发明的永磁电机气隙导热系数的计算方法提供的技术方案可以看出，本发明方法可以真实地反映永磁电机运行时气隙的实际导热系数，计算方法更准确，解决了在对永磁电机的定转子温度分析时存在的气隙导热系数不合理的问题。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1本发明实施例提供了一种永磁电机气隙导热系数的计算方法流程图；
图2为本发明实施例的永磁电机结构图。
附图标记说明：
1定子铁心 2定子绕组 3气隙 4转子铁心 5永磁体 6转轴 7机壳
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，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，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，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明。
图1本发明实施例提供了一种永磁电机气隙导热系数的计算方法流程图，参照图1，该方法包括：
S1采集永磁电机各个部件的尺寸和结构参数。
图2为本发明实施例的永磁电机结构图，参照图2，具体需要采集定子铁心、定子绕组、气隙、转子铁心、永磁体、转轴和机壳的尺寸和结构参数。
S2根据所述的尺寸和结构参数建立所述永磁电机的二维瞬态电磁场求解模型,求解出相关部件的损耗值，并根据损耗值计算出相关部件的热密值。
根据所述的尺寸和结构参数通过建立所述永磁电机的二维瞬态电磁场求解物理模型,通过Ansoft软件对所述的二维瞬态电磁场求解得出相应部件的损耗值。求解出定子铁心损耗值、定子绕组铜耗值和转子永磁体涡流损耗值。
根据相应部件的损耗值与对应部件的体积比得到对应部件的热密值。
永磁电机二维瞬态场求解数学模型如下式(1)所示：
式中，AZ为矢量磁位的轴向分量，JZ为电流密度，μ、μ1、μ2为磁导率，σ为电导率，JS为永磁体等效电流密度，S1为第一类边界，S2为永磁体边界，n为边界面单位法向量，t为时间变量，x,y分别为直角坐标系x,y分量。对电机定子铁心外边界施加第一类边界条件，对永磁体边界施加永磁体边界条件。
根据二维瞬态场数学模型对永磁电机二维瞬态场进行求解，最后得到对应相关部件的损耗值。
S3根据永磁电机的各个部件的尺寸通过Ansys软件建立永磁电机三维稳态温度场求解模型。
三维稳态温度场求解数学模型如下式(2)所示：
式中，T为部件的温度；λx，λy，λz分别为x,y,z方向的导热系数；q(x，y，z)为热源密度,n为表面单位法向量；α为散热系数；Tf为环境温度。
根据三维稳态温度场数学模型对永磁电机三维稳态温度场进行求解，得到电机各个部件的温度值。
S4根据相关部件热密值、各个部件的导热系数以及永磁电机的机壳散热系数，设定气隙导热系数的初始值作为气隙导热系数，通过所述的三维稳态温度场求解模型求解出各个部件的温度。
各个部件的导热系数根据各部件的材料确定。其中，硅钢片导热系数为48(W/m2·K)、铜线导热系数为398(W/m2·K)、绝缘导热系数为0.25(W/m2·K)、机壳导热系数为220(W/m2·K)、永磁材料导热系数为9(W/m2·K)、轴的导热系数为58(W/m2·K)。
永磁电机的机壳散热系数根据下式(3)计算：
式中：α为散热系数；v为吹拂散热面的空气流速；θ为机壳外表面温度。
设定所述的气隙导热系数值为0-1。
S5以所述的求解出的温度与各部件的实际测量温度残差绝对值收敛于一定的范围阈值作为约束条件，迭代更新所述气隙导热系数值，并将符合所述约束条件的气隙导热系数值作为最终的气隙导热系数。
通过实验测量对应条件下所使用的永磁电机的各个部件的实际温度。
以下述公式(4)作为各个部件的约束条件，迭代更新所述气隙导热系数值，直至所有部件均满足该约束条件，则将对应的气隙导热系数值最为最终的气隙导热系数：
其中，T1为某一部件的测试温度值，T2i为与T1对应部件的第i次迭代计算温度值，ε为一定的范围阈值。
其中，优选地，ε∈(0，10％)
本领域技术人员应能理解上述输入框的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的输入框应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的各类网络元素的数量可能小于一个实际网络中的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。
本领域技术人员应能理解，上述所举的根据用户信息决定调用策略仅为更好地说明本发明实施例的技术方案，而非对本发明实施例作出的限定。任何根据用户属性来决定调用策略的方法，均包含在本发明实施例的范围内。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
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 (10)

1.一种永磁电机气隙导热系数的计算方法，其特征在于，包括：
采集永磁电机各个部件的尺寸和结构参数；
根据所述的尺寸和结构参数建立所述永磁电机的二维瞬态电磁场求解模型，求解出相关部件的损耗值，并根据所述损耗值计算出相关部件的热密值；
根据所述永磁电机的各个部件的尺寸建立三维稳态温度场求解模型；
根据相关部件热密值、各个部件的导热系数以及永磁电机的机壳散热系数，设定气隙导热系数的初始值作为气隙导热系数，通过所述的三维稳态温度场求解模型求解出各个部件的温度；
以所述的求解出各个部件的温度与对应各部件的实际测量温度的残差绝对值收敛一定的范围阈值作为约束条件，迭代更新所述气隙导热系数值，并将符合所述约束条件的气隙导热系数值作为最终的气隙导热系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的采集永磁电机各个部件的尺寸和结构参数，包括：采集定子铁心、定子绕组、气隙、转子铁心、永磁体、转轴和机壳的尺寸和结构参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据所述的尺寸和结构参数建立所述永磁电机的二维瞬态电磁场求解模型，求解出相关部件的损耗值，包括：根据所述的尺寸和结构参数通过Ansoft软件建立所述永磁电机的二维瞬态电磁场求解物理模型,通过对所述的二维瞬态电磁场求解得出相关部件的损耗值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的根据所述损耗值计算出相关部件的热密值，包括：根据相关部件的损耗值与对应部件的体积比得到对应相关部件的热密值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的各个部件的导热系数根据各部件的材料确定。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的永磁电机的机壳散热系数根据下式(1)计算：
式中：α为散热系数；v为吹拂散热面的空气流速；θ为机壳外表面温度。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的以所述的求解出的温度与各部件的实际测量温度的残差绝对值收敛于一定的范围阈值作为约束条件，包括以下述公式(2)作为各个部件的约束条件，迭代更新所述气隙导热系数值，直至所有部件均满足该约束条件，则将对应的气隙导热系数值最为最终的气隙导热系数：
其中，T1为某一部件的测试温度值，T2i为与T1对应部件的第i次迭代计算温度值，ε为满足允许要求的残差。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的设定气隙导热系数的初始值作为气隙导热系数,包括：设定所述的气隙导热系数值为0-1。
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，所述的求解出相关部件的损耗值，包括：求解出定子铁心损耗值、定子绕组铜耗值和转子永磁体涡流损耗值。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的ε∈(0，10％)。
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