CN110555289B - 一种基于云计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台及计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电机耦合计算领域，尤其涉及一种基于云计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台；本发明包括电机信息采集单元、数据综合处理单元、计算服务单元和移动监测终端，电机信息采集单元和数据综合处理单元依次连接，数据综合处理单元输出端分别与计算服务单元和移动监测终端建立连接关系；本发明操作便捷，设计合理，将电磁场‑温度场‑结构场进行耦合计算，通过虚拟化技术把存储、网络、硬件资源等虚拟成弹性的计算资源地，大大增加计算效率和精度，既解决现有技术中电机内部热量难以精确计算，忽略其他场对温升影响导致测试结果偏差较大的问题又解决了电机多物理场耦合计算产生的庞大数据运算及传递问题，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及电机耦合计算领域，尤其涉及一种基于云计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台。
背景技术
随着科技的发展和社会的进步，人们在电机领域的研究越来越深入，电机的定子绕组寿命直接决定着电机过载能力及寿命评估。然而，目前在电机研究领域很多的实验还不具备开展条件，或者搭建电机实体模型成本较高，且电机设计过程中包含电-磁-流体-温升-结构等多领域，单独的分析会带来较大误差。
因此，有必要建立一套仿真建模方法来对电机进行多物理场耦合分析。ANSYS-Workbench具有高效的计算性能和独特的多场全耦合分析能力,可以直接实现不同场之间的数据传递，因此可以保证仿真的精确性，但是在计算过程中会产生大量的网格数据，带来计算的缓慢性，不能达到人们的需求。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于云计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种基于云计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台，包括：
电机信息采集单元，用以采集电机信息；
数据综合处理单元，用以收集所述电机信息，并将电机信息发送至计算服务单元，接收并显示计算服务单元的计算结果；
计算服务单元，通过接收的电机信息耦合计算电机的电磁场-温度场-结构场。
进一步的，所述数据综合处理单元包括：
数据输入端口，用以识别所述电机信息的数字信号和电机各工况下的电流信号；
信号处理单元，用以将数据输入端口输出的信号进行放大和A/D转换；
存储提示单元，用以存储和显示所述电机信息；
主控单元，对所述数据输入端口、信号处理单元和存储提示单元发送控制指令。
进一步的，所述存储提示单元包括存储单元和提示单元，所述提示单元与移动监测终端通过无线通信网络建立无线连接。
进一步的，所述电机信息包括电机定子侧电流。
进一步的，所述计算服务单元包括：
电磁场计算模块，将采集到的电流信息为激励源，通过有限元分析对其电磁场进行时时分析，得出电机不同工况下电磁损耗；
温度场计算模块，根据所述电磁损耗得到不同工况下的绕组的温度场情况；
结构场计算模块，获取绕组的结构场情况。
更进一步的，所述温度场计算模块包括瞬态温升计算模块和稳态温升计算模块。
进一步的，所述基于云计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台包括移动监测终端，所述移动监测终端包括远程主机监控单元、远程手机监控单元和报警模块，用以实现用户远程对电机运行状态进行实时监控和预警。
本发明另一方面提供了一种基于云计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台的计算方法，通过本发明第一方面所述的基于元计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台实现，包括以下步骤：
步骤S1：电机信息采集单元采集电机信息，所述电机信息包括电机输电线电流、输电线电压荷电机定子侧电流；
步骤S2：数据综合处理单元收集采集的电机信息，将所收集的电机信息进行处理后送至计算服务单元中，接收计算服务单元的计算结果；
步骤S3：计算服务单元通过接收的电机信息进行电磁场-温度场-结构场的耦合计算。
进一步的，所述步骤S2具体包括如下步骤：
步骤S21,数据输入端口识别电机不同工况定子侧电流信号作为载荷；
步骤S22，经过信号处理单元将接收的信号放大和进行A/D转换处理后传递到主控单元；
步骤S23，主控单元将经过信号处理单元处理的信号传递到计算服务单元中，并接收计算服务单元回传的耦合计算结果。
进一步的，步骤S3具体包括：
S31，检测得到的电机定子电流根据得到绕组的电场情况；
S32，根据得到磁场情况；
S33，利用P＝I2R(T)＝G(T)T得到绕组的温度场情况；
S34，根据F＝B×Il得到绕组结构场的情况；
上式中，I是定子绕组，电流E是电场强度，是B磁感应强度，t是时间，S是面积，σ，P是定子绕组损耗，R(T)是定子绕组电阻；G(T)是定子绕组热导；T是温度；F是绕组上的受力；l是定子绕组导体长；U是定子绕组上的电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明操作便捷，设计合理，将电磁场-温度场-结构场进行耦合计算，通过虚拟化技术把存储、网络、硬件资源等虚拟成弹性的计算资源地，大大增加计算效率和精度。
2、本发明包括数据输入端口，可以分析电机不同工况下的电流信号，为电磁场-温度场-结构场的计算提供重要依据。
3、本发明含有无线通信模块，可以通过WI-FI将数据传送给远程主机和远程手机进行查看，方便快捷，补偿了有线传输中传输距离短的短板。
4、本发明含有报警模块，以解决目前没有较为有效合理的线路出现故障时预警系统，输电线路存在安全隐患的问题。
5、既解决现有技术中电机内部热量难以精确计算，忽略其他场对温升影响导致测试结果偏差较大的问题又解决了电机多物理场耦合计算的产生的庞大数据运算及传递的问题，为电机多耦合计算提供了方向，实用性强。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的一种基于云计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台的整体原理框图；
图2为本发明具体实施方式的一种基于云计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台的计算服务单元结构框图；
图3为本发明具体实施方式的一种基于云计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台的硬件结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本实施例提供一种技术方案：一种基于云计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台，包括如下部分：
电机信息采集单元，用以采集电机的信息，进行后续耦合计算，本实施例中的电机信息采集单元采集的电机信息包括电机定子侧电流，本实施例采用AHKC-EKBDA型号的电流传感器采集电机定子侧电流。
数据综合处理单元，由数据输入端口负责将线路的电流、电压变化信息作为电流、电压激励源，包括依次连接的数据输入端口、信号处理单元、主控单元和存储提示单元，用以对采集的电机信息进行放大转换处理；
为了使电主控单元和计算服务单元能够识别电机信息，本实施例采用的数据输入端口用以识别电机信息采集单元传递的数字信号，识别电机不同工况电流信号作为载荷；
信号处理单元包括信号放大模块和A/D转换模块，本实施例中的放大模块采用的是ISL28006电流信号检测放大器，电机信息采集单元采集的信号经过ISL28006电流信号检测放大器后进入A/D转换单元进行转换，将采集到的模拟量数据转化为嵌入式平台中进行处理的数字量数据。
所述主控单元用以完成电机信号的提取、显示和数据传递控制，所述主控单元安装Cortex-A53控制芯片，包括无线通信模块和丰富的外围接口和较高主频，方便网络接口进行扩展及实现触控屏和存储等功能。
本实施例的数据综合处理单元包含嵌入式硬件平台上搭载Compact RIO嵌入式操作系统，具有坚固的硬件架构，其中包含：I/O模块、带有可重新配置的现场可编程门阵列的机箱和实时控制器。此外，用户可以采用Python图形化开发工具对Compact RIO进行编程，并将之应用于各类嵌入式控制和监测应用中。用以实现数据采集、数据存储、数据显示、网络通信和客户端控制。完成电机参数信息的采集、存储、显示，除此之外还通过网络接口同计算服务单元的服务器进行通信，实现数据的传递。
本实施例的数据综合处理单元除了传统的有线网络通信功能，还可通过支持Compact RIO嵌入式操作系统构建无线平台，支持蓝牙、Wifi等无线通讯功能，本发明采用了Wifi进行通信。
计算服务单元，所述计算服务单元负责对线路的电磁场-温度场-结构场进行耦合计算，电磁计算是以采集到的电流信息为激励源，通过有限元分析对其电磁场进行时时分析，得出电机不同工况下电磁损耗，为下一步温度场计算作为依据。
本实施例所述计算服务单元包括：
电磁场计算模块，以采集到的电流信息为激励源，通过有限元分析对其电磁场进行时时分析，得出电机不同工况下电磁损耗，为下一步温度场计算作为依据；
温度场计算模块，根据所述电磁损耗得到不同工况下的绕组的温度场情况；
本实施例中的所述温度场计算模块包括瞬态温升计算模块和稳态温升计算模块，其将通过电磁计算模块获取的电磁损耗作为热源，计算在电机故障时电流激增引起的温度上升。
结构场计算模块，获取绕组的结构场情况。
移动监测终端，包括远程监控主机和远程监控手机。与无线数据通信模块相连，无线数据通信模块将数据传输至主控器，主控器对数据进行处理和分析，报警模块用于发出线路危险警报。以解决目前没有较为有效合理的线路出现故障时预警系统，输电线路存在安全隐患的问题。
所述电机信息采集单元和数据综合处理单元依次连接，数据综合处理单元输出端分别与计算服务单元和移动监测终端建立连接关系；
本实施例所述计算服务计算中包含Workbench软件实现电机的电磁场-温度场-结构场进行耦合计算。
所述移动监测终端包括远程主机监控单元、远程手机监控单元和报警模块，用以实现用户远程对电机运行状态进行实时监控和预警，远程主机监控单元和远程手机监控单元均与无线通信模块相连，无线通信模块将数据传输至主控器，主控器对数据进行处理和分析，报警模块用于发出线路危险警报以解决目前没有较为有效合理的线路出现故障时预警系统，输电线路存在安全隐患的问题。
本实施例所述的一种基于云计算的电机定子绕组多物理场耦合计算的计算方法，包括以下步骤：
步骤S1：电机信息采集单元采集电机信息，所述电机信息包括电机输电线电流、输电线电压荷电机定子侧电流；
步骤S2：数据综合处理单元收集采集的电机信息，将所收集的电机信息进行处理后送至计算服务单元中，接收计算服务单元的计算结果；
步骤S3：计算服务单元通过接收的电机信息进行电磁场-温度场-结构场的耦合计算。
本实施例中的所述步骤S2具体包括如下步骤：
步骤S21,数据输入端口识别电机不同工况定子侧电流信号作为载荷；
步骤S22，经过信号处理单元将接收的信号放大和进行A/D转换处理后传递到主控单元；
步骤S23，主控单元将经过信号处理单元处理的信号传递到计算服务单元中，并接收计算服务单元回传的耦合计算结果。
进一步的，步骤S3具体包括：
S31，检测得到的电机定子电流根据得到绕组的电场情况；
S32，根据得到磁场情况；
S33，利用P＝I2R(T)＝G(T)T得到绕组的温度场情况；
S34，根据F＝B×Il得到绕组结构场的情况；
由于绕组上的电阻和热阻是受温度影响的，因而，在电压源供电下，检测定子绕组上的电流是随着温度变化的，进而上述过程也是动态变化的。
在Workbench软件先在建立好电机绕组的电磁场-温度场-结构场模型，通过检测电流作为激励，计算电机绕组电磁场，进而通过UDF(用户自定义程序)提取电机绕组电磁场计算，利用控制单元赋到温度场模型，作为激励条件，求解温度场，再将通过UDF提取温度场和电磁场模型计算结果，利用控制单元赋到绕组的结构场中，求解绕组的结构场。之后循环迭代，直至满足达到动态平衡。
上式中，I是定子绕组，电流E是电场强度，是B磁感应强度，t是时间，S是面积，σ，P是定子绕组损耗，R(T)是定子绕组电阻，数值温度有关；G(T)是定子绕组热导，数值温度有关；T是温度；F是绕组上的受力；l是定子绕组导体长；U是定子绕组上的电压。
本发明的工作过程为：首先依据电机电磁-流体-温度场的耦合作用，建立电机有限元分析模型，电机信息采集单元将采集到的电机数据传输给数据综合处理单元，将电机电流数据传给电磁计算板块进行电磁计算。在计算后将电磁数据输给温度场计算板块进行稳态温度场和暂态温度场计算，得出电机不同工况温升，并存入存储提示单元中的存储单元，并将异常数据提通过显示单元供给移动监测终端，供用户调取和监控。
如图3所示，SDRAM是动态随机存储器，掉电后存的东西会消失。作用为连接显示装置，可以实时显示数据，而sd卡是永久存储数据。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本实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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于云计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台，其特征在于：包括：
电机信息采集单元，用以采集电机信息，所述电机信息包括电机定子侧电流；
数据综合处理单元，用以收集所述电机信息，并将电机信息发送至计算服务单元，接收并显示计算服务单元的计算结果；
计算服务单元，用以通过接收的电机信息耦合计算电机的电磁场-温度场-结构场，包括：
电磁场计算模块，将采集到的电流信息为激励源，通过有限元分析对其电磁场进行时时分析，根据和/>得出电机不同工况下电磁损耗；
温度场计算模块，根据P＝I2R(T)＝G(T)T得到不同工况下的绕组的温度场情况；
结构场计算模块，用以根据F＝B×Il得到绕组结构场的情况；
其中，E是电场强度，I是定子绕组电流，S是面积；B是磁感应强度，t是时间；P是定子绕组损耗，R(T)是定子绕组电阻，G(T)是定子绕组热导，T是温度；F是绕组上的受力，l是定子绕组导体长。
2.根据权利要求1所述的一种基于云计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台，其特征在于：所述数据综合处理单元包括：
数据输入端口，用以识别所述电机信息的数字信号和电机各工况下的电流信号；
信号处理单元，用以将数据输入端口输出的信号进行放大和A/D转换；
存储提示单元，用以存储和显示所述电机信息；
主控单元，对所述数据输入端口、信号处理单元和存储提示单元发送控制指令。
3.根据权利要求1所述的一种基于云计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台，其特征在于：所述温度场计算模块包括瞬态温升计算模块和稳态温升计算模块。
4.根据权利要求2所述的一种基于云计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台，其特征在于：所述存储提示单元包括存储单元和提示单元。
5.根据权利要求1所述的一种基于云计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台，其特征在于：所述基于云计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台包括移动监测终端，所述移动监测终端包括远程主机监控单元、远程手机监控单元和报警模块，用以实现用户远程对电机运行状态进行实时监控和预警。
6.一种基于云计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台的计算方法，通过权利要求1至5所述基于元计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台实现，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：电机信息采集单元采集电机信息，所述电机信息包括电机输电线电流、输电线电压荷电机定子侧电流；
步骤S2：数据综合处理单元收集采集的电机信息，将所收集的电机信息进行处理后送至计算服务单元中，接收计算服务单元的计算结果；
步骤S3：计算服务单元通过接收的电机信息进行电磁场-温度场-结构场的耦合计算；包括：
S31，检测得到的电机定子电流根据得到绕组的电场情况；
S32，根据得到磁场情况；
S33，利用P＝I2R(T)＝G(T)T得到绕组的温度场情况；
S34，根据F＝B×Il得到绕组结构场的情况；
上式中，I是定子绕组电流，E是电场强度，B是磁感应强度，t是时间，S是面积，P是定子绕组损耗，R(T)是定子绕组电阻；G(T)是定子绕组热导；T是温度；F是绕组上的受力；l是定子绕组导体长；U是定子绕组上的电压。
7.根据权利要求6所述的一种基于云计算的电机定子绕组多物理场耦合计算平台的计算方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括如下步骤：
步骤S21,数据输入端口识别电机不同工况定子侧电流信号作为载荷；
步骤S22，经过信号处理单元将接收的信号放大和进行A/D转换处理后传递到主控单元；
步骤S23，主控单元将经过信号处理单元处理的信号传递到计算服务单元中，并接收计算服务单元回传的耦合计算结果。
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Non-Patent Citations (2)
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