CN110688804B - 充油电机损耗多元抑制方法 - Google Patents

Abstract

充油电机损耗多元抑制方法，属于电机领域。所述方法包括如下步骤：对充油电机进行电磁场、流热耦合场仿真计算，建立充油电机铁心损耗数学模型，得到铁心损耗与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系；建立铜损与电负荷及温度的多元函数关系；建立考虑压强与热因素的CFD流场模型，实现不同转速下充油电机油摩损耗准确计算，得到油摩损耗与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系；采用有限元法，得到充油电机电磁功率与电负荷的函数关系；建立充油电机效率与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系；利用多元函数求最值理论，得到特定温度与压强环境下充油电机电负荷和磁负荷的最佳平衡关系。本发明用于实现充油电机全损耗的有效抑制。

Description

充油电机损耗多元抑制方法

技术领域

本发明属于电机领域，具体涉及一种充油电机损耗多元抑制方法。

背景技术

深地随钻测井系统、载人潜水器动力系统等极端探测设备都必须依靠电机系统为它们提供动力输出。然而由于这些设备都直接运行在高压强(最大压强一般能达到140Mpa)环境，电机内部都需要充油，以防止外部压力使电机损坏。充油电机运行时，会产生油摩损耗，大量的油摩损耗会直接增加气隙与端部区域的温度，可能导致电机由于温度过热而损坏。而常规非高压环境电机中，电机内部无填充介质，无油摩损耗，电机损耗一般只包括铁心损耗、铜损与机械附加损耗等。同时，充油电机多运行于高压强环境，高压环境造成电机自身的铁心损耗与转子涡流损耗的增加，其充油运行时内部散热与传统电机也存在明显不同。目前尚无高压强环境下充油电机损耗抑制方法，已成为困扰充油电机高性能设计的瓶颈技术之一。

发明内容

本发明的目的是解决目前尚无高压强环境下充油电机损耗抑制方法，提出了一种充油电机损耗多元抑制方法，以解决高压强充油电机高功率密度与高效率设计的难题。

本发明从高温(温度最高为250℃)高压强环境下充油电机的硅钢片的电磁材料特性入手，对充油电机的铁心损耗重新建模计算，利用流体力学理论与流场仿真对充油电机特有的油摩损耗计算，然后建立充油电机更为精确的全损耗模型，最终利用多元函数理论，实现充油电机全损耗多元抑制。

实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

充油电机损耗多元抑制方法，所述方法包括如下步骤：

步骤A.考虑温度与压强因素，对充油电机进行电磁场、流热耦合场仿真计算，依据仿真数据，建立充油电机铁心损耗数学模型，利用有限元法实现其准确计算，得到铁心损耗与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系；所述多元函数关系具体建立过程是：

首先对铁心损耗数学模型中的磁滞损耗系数K_h与涡流损耗系数K_e进行修正如下式(3)所示，并构建电磁场模型，计算不同温度与压强下的铁心损耗，然后通过多项式拟合，得到铁心损耗与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系如下式(4)；

p_fe＝K_hB_max ²f+K_c(B_maxf)²+K_e(B_maxf)^1.5 (3)

p_fe＝Fun(A,B_δ,P,t) (4)

其中，Fun()为多元函数关系，利用多项式拟合即可实现，A为电负荷，B_δ为磁负荷，P为压强，t为温度，p_fe为铁心损耗，K_h为磁滞损耗系数，B_max为磁密幅值，f为电频率，K_c涡流损耗系数，K_e为附加损耗系数；

步骤B.建立铜损与电负荷及温度的多元函数关系；所述铜损与电负荷及温度的函数关系模型的建立过程是：

利用电磁场模型，仿真得到额定运行时的电流波形，通过多项式拟合，建立铜损与电负荷及温度的函数关系如下式(5)；

p_cu＝Fun(A,t) (5)

其中：p_cu为铜损；

步骤C.通过充油电机内部流态机理分析，建立考虑压强与热因素的CFD流场模型，实现不同转速下充油电机油摩损耗准确计算，得到油摩损耗与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系；所述油摩损耗与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系的具体建立过程是：

首先利用流体力学理论对充油电机内部油体的流态进行分析，建立考虑温度与压强的流热耦合模型，利用下式(6)进行油摩损耗计算；

其中，ρ为油密度，v为动力粘度，w为角速度，p_oil为油摩损耗，R₂为转子周向半径，L为转子轴向长度，

为切向速度分量均值，r＝R₂，r为半径；

通过多项式拟合得到油摩损耗与压强及温度的多元函数关系式(7)；

p_oil＝Fun(P,t) (7)；

步骤D.采用有限元法，得到充油电机电磁功率与电负荷的函数关系模型；所述采用有限元法，得到充油电机电磁功率与电负荷的函数关系式(8)；

p_em＝Fun(A,B_δ) (8)

其中，p_em为充油电机的电磁功率；

步骤E.基于上述四个步骤，建立充油电机效率与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系；利用多元函数求最值理论，得到特定温度与压强环境下充油电机电负荷和磁负荷的最佳平衡关系，从而实现充油电机全损耗的有效抑制；所述基于上述四个步骤，建立充油电机效率与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系如下式(9)；

利用多元函数求最值理论，在某一特定温度t₀与压强P₀环境下，即P＝P₀，t＝t₀时，对电机效率η求电负荷与磁负荷的偏导数，得到方程组(10)；利用方程组(10)，即可求得充油电机效率最大η_max对应的电负荷和磁负荷的最佳值η_max(A,B_δ)，从而实现充油电机全损耗的有效抑制；

其中，η为电机效率，η_max为效率最大值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.建立了损耗与电负荷、磁负荷、温度以及压强的函数关系，更可以真实反映电机的实际工况，与常规方法中的铁心损耗等均为不变损耗相比更加准确。

2.本发明提出的损耗多元抑制方法直接得到特定温度与压强环境下充油电机电负荷和磁负荷的最佳平衡关系，显著提高其效率，有效抑制其损耗，减少发热，有利于提高电机在极端环境中的适应范围。

附图说明

图1为实现本发明的充油电机损耗多元抑制方法的流程框图。

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，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，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。

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式披露了一种充油电机损耗多元抑制方法，所述方法包括如下步骤：

步骤A.考虑温度与压强因素，对充油电机进行电磁场、流热耦合场仿真计算，依据仿真数据，建立充油电机铁心损耗数学模型，利用有限元法实现其准确计算，得到铁心损耗与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系；

所述多元函数关系具体建立过程是：

(充油电机多应用于高温高压强环境，本实施方式充分考虑恶劣环境对充油电机硅钢片以及永磁体电磁材料特性的影响)首先对铁心损耗数学模型中的磁滞损耗系数K_h与涡流损耗系数K_e进行修正如下式(3)所示，并构建电磁场模型，计算不同温度与压强下的铁心损耗，然后通过多项式拟合，得到铁心损耗与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系如下式(4)；

p_fe＝K_hB_max ²f+K_c(B_maxf)²+K_e(B_maxf)^1.5 (3)

p_fe＝Fun(A,B_δ,P,t) (4)

其中，Fun()为多元函数关系，利用多项式拟合即可实现，A为电负荷，B_δ为磁负荷，P为压强，t为温度，p_fe为铁心损耗，K_h为磁滞损耗系数，B_max为磁密幅值，f为电频率，K_c涡流损耗系数，K_e为附加损耗系数。

步骤B.建立铜损与电负荷及温度的多元函数关系；

所述铜损与电负荷及温度的函数关系模型的建立过程是：

利用电磁场模型，仿真得到额定运行时的电流波形，通过多项式拟合，建立铜损与电负荷及温度的函数关系如下式(5)；

p_cu＝Fun(A,t) (5)

其中：p_cu为铜损。

步骤C.通过充油电机内部流态机理分析，建立考虑压强与热因素的CFD流场模型，实现不同转速下充油电机油摩损耗准确计算，得到油摩损耗与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系；

所述油摩损耗与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系的具体建立过程是：

首先利用流体力学理论对充油电机内部油体的流态进行分析，建立考虑温度与压强的流热耦合模型，利用下式(6)进行油摩损耗计算；

其中，ρ为油密度，v为动力粘度，w为角速度，p_oil为油摩损耗，R₂为转子周向半径，L为转子轴向长度，

为切向速度分量均值，r＝R₂，r为半径；

通过多项式拟合得到油摩损耗与压强及温度的多元函数关系式(7)；

p_oil＝Fun(P,t) (7)。

步骤D.采用有限元法，得到充油电机电磁功率与电负荷的函数关系模型；

所述采用有限元法，得到充油电机电磁功率与电负荷的函数关系式(8)；

p_em＝Fun(A,B_δ) (8)

其中，p_em为充油电机的电磁功率。

步骤E.基于上述四个步骤，建立充油电机效率与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系；利用多元函数求最值理论，得到特定温度与压强环境下充油电机电负荷和磁负荷的最佳平衡关系，从而实现充油电机全损耗的有效抑制；

所述基于上述四个步骤，建立充油电机效率与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系如下式(9)；利用多元函数求最值理论，在某一特定温度t₀与压强P₀环境下，即P＝P₀，t＝t₀时，对电机效率η求电负荷与磁负荷的偏导数，得到方程组(10)；利用方程组(10)，即可求得充油电机效率最大η_max对应的电负荷和磁负荷的最佳值η_max(A,B_δ)，从而实现充油电机全损耗的有效抑制；

其中，η为电机效率，η_max效率最大值。

常规方法与本发明的方法的区别：

常规方法主要利用不变损耗与可变损耗理论下式(1)所示，将铜损看为可变损耗，铁损与附加机械损耗看为不变损耗，当不变损耗与可变损耗相等时，电机的整机损耗最小，效率最高。

而充油电机中的损耗为下式(2)所示，其可变损耗为铜损、铁损及油摩损耗，只有附加机械损耗可以看作是不变的，当不变损耗等于可变损耗时，电机效率最大的理论将不再成立。因此，本发明针对这一问题，提出了利用多元函数求最值理论的损耗抑制方法。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种充油电机损耗多元抑制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

步骤A.考虑温度与压强因素，对充油电机进行电磁场、流热耦合场仿真计算，依据仿真数据，建立充油电机铁心损耗数学模型，利用有限元法实现其准确计算，得到铁心损耗与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系；所述多元函数关系具体建立过程是：

首先对铁心损耗数学模型中的磁滞损耗系数K_h与涡流损耗系数K_e进行修正如下式(3)所示，并构建电磁场模型，计算不同温度与压强下的铁心损耗，然后通过多项式拟合，得到铁心损耗与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系如下式(4)；

p_fe＝K_hB_max ²f+K_c(B_maxf)²+K_e(B_maxf)^1.5 (3)

p_fe＝Fun(A,B_δ,P,t) (4)

其中，Fun()为多元函数关系，利用多项式拟合即可实现，A为电负荷，B_δ为磁负荷，P为压强，t为温度，p_fe为铁心损耗，K_h为磁滞损耗系数，B_max为磁密幅值，f为电频率，K_c涡流损耗系数，K_e为附加损耗系数；

步骤B.建立铜损与电负荷及温度的多元函数关系；所述铜损与电负荷及温度的函数关系模型的建立过程是：

利用电磁场模型，仿真得到额定运行时的电流波形，通过多项式拟合，建立铜损与电负荷及温度的函数关系如下式(5)；

p_cu＝Fun(A,t) (5)

其中：p_cu为铜损；

步骤C.通过充油电机内部流态机理分析，建立考虑压强与热因素的CFD流场模型，实现不同转速下充油电机油摩损耗准确计算，得到油摩损耗与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系；所述油摩损耗与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系的具体建立过程是：

首先利用流体力学理论对充油电机内部油体的流态进行分析，建立考虑温度与压强的流热耦合模型，利用下式(6)进行油摩损耗计算；

其中，ρ为油密度，v为动力粘度，w为角速度，p_oil为油摩损耗，R₂为转子周向半径，L为转子轴向长度，

为切向速度分量均值，r＝R₂，r为半径；

通过多项式拟合得到油摩损耗与压强及温度的多元函数关系式(7)；

p_oil＝Fun(P,t) (7)；

步骤D.采用有限元法，得到充油电机电磁功率与电负荷的函数关系模型；所述采用有限元法，得到充油电机电磁功率与电负荷的函数关系式(8)；

p_em＝Fun(A,B_δ) (8)

其中，p_em为充油电机的电磁功率；

步骤E.基于上述四个步骤，建立充油电机效率与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系；利用多元函数求最值理论，得到特定温度与压强环境下充油电机电负荷和磁负荷的最佳平衡关系，从而实现充油电机全损耗的有效抑制；所述基于上述四个步骤，建立充油电机效率与电负荷、磁负荷、压强及温度的多元函数关系如下式(9)；

利用多元函数求最值理论，在某一特定温度t₀与压强P₀环境下，即P＝P₀，t＝t₀时，对电机效率η求电负荷与磁负荷的偏导数，得到方程组(10)；利用方程组(10)，即可求得充油电机效率最大η_max对应的电负荷和磁负荷的最佳值η_max(A,B_δ)，从而实现充油电机全损耗的有效抑制；

其中，η为电机效率，η_max为效率最大值。

Images