CN111159953A - 一种低温电机的物理场分析方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种低温电机的物理场分析方法、装置及系统，其中，该方法包括：获取物理场基本元素信息；在预设第一区域，根据第一区域中基本元素信息确定物理场的总体模型；根据总体模型，确定物理场第一通量值；在预设第二区域，根据第二区域中基本元素信息确定局部模型；根据局部模型，确定物理场第二通量值，进而确定物理场的参数信息；根据第一通量值与第二通量值相等以及预设边界条件进行总体模型和局部模型的直接耦合求解。解决了按照传统方法设计的低温电机，存在的电机材料浪费、损耗过大导致液化天然气潜液泵运行故障问题。可准确地计算低温电机耦合物理场，分析低温电机运行性能，从而得到驱动性能优异的低温电机，降低电机材料的使用。

Description

一种低温电机的物理场分析方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及潜液化天然气低温电机领域，具体涉及一种低温电机的物理场分析方法、装置及系统。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，天然气等新型能源的使用也越来越普及，在我国各个地区已经大量使用，随之而来的就是其天然气的输送问题，天然气的输送是通过将其液化实现的，液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)的输送通常需要使用潜液式LNG泵，其为天然气产业的关键装备。潜液式LNG泵由James C.Carter于20世纪60年代末提出，是将电机和泵集成在泵壳内，泵所用电机浸泡在-162℃(LNG泵一般工作压力下)低温LNG中工作，为低温(非超导)电机(以下称为潜LNG低温电机)，是LNG泵的核心部件之一。

当前在设计潜LNG低温电机时，仍然采用传统常温电机的设计方法，考虑到其工作温度为低温-162℃，电机的关键参数通常留有很大裕量。对于小功率等级的潜液式LNG泵，由于驱动功率小，所用潜LNG低温电机的损耗大、材料浪费及驱动性能变化的问题并不突出，设计出的潜LNG低温电机可驱动LNG泵运行。但是，对于中、大功率潜液式LNG泵的应用场合，若仍按这种方法设计潜LNG低温电机，将会造成电机损耗过大而引起泵内LNG汽化，容易导致LNG泵运行故障，也会带来电机材料的大量浪费，还会使潜LNG低温电机驱动性能发生改变，引起驱动问题。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有设计方法中设计出的潜LNG低温电机，存在效率不高、材料浪费等缺陷，从而提供一种低温电机的物理场分析方法、装置及系统。

根据第一方面，本发明实施例公开了一种低温电机物理场的分析方法，包括：获取所述物理场的基本元素信息，所述物理场包括电磁场、温度场、流体场，所述基本元素信息是用以表征物理场基本参数的信息；在预设的第一区域，根据所述第一区域中的基本元素信息确定所述物理场的总体模型；根据所述总体模型，确定所述物理场的第一通量值；在预设的第二区域，根据所述第二区域中的基本元素信息确定所述物理场的局部模型；根据所述局部模型，确定所述物理场的第二通量值；根据预设的边界条件、所述第一通量值以及所述第二通量值相等进行耦合，确定所述物理场的参数信息。

结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，在获取所述物理场的基本元素信息前，该方法还包括：获取物理场的第一物理量与第二物理量；根据所述物理场的第一物理量与第二物理量，确定所述物理场各区域的梯度变化值；判断所述物理场各区域的梯度变化值与预设梯度变化值的大小关系，将大于预设梯度变化值的物理场区域划分为所述第一区域，将小于或等于预设梯度变化值的物理场区域划分为所述第二区域。

结合第一方面第一实施方式，在第一方面第二实施方式中，通过下述公式，确定所述物理场各区域的梯度变化值：

其中，

为物理场梯度变化值，h₁、h₂、h₃分别为第一度量系数、第二度量系数、第三度量系数。

结合第一方面，在第一方面第三实施方式中，所述物理场可以是温度场，通过下述公式，计算所述温度场的总体模型：

其中，R^TN表示热阻，T^TN表示节点温度，Q表示热源。

结合第一方面，在第一方面第四实施方式中，通过下述公式，计算所述温度场的局部模型：

其中，k为导热系数，T为温度，q为单位体积的发热率。

结合第一方面第四实施方式，在第一方面第五实施方式中，根据所述物理场的基本元素信息确定所述物理场的局部模型，具体包括：根据有限元法确定所述温度场、所述电磁场的局部模型，根据有限体积法确定所述流体场的局部模型。

结合第一方面，在第一方面第六实施方式中，所述根据所述总体模型，确定所述物理场的第一通量值，包括：

获取所述低温电机的材料特征参数值；

根据所述材料特征参数值以及所述总体模型，确定所述物理场的第一通量值。

结合第一方面第六实施方式，在第一方面第七实施方式中，通过下述公式，计算所述第一通量值：

其中，

表示总体模型中自由节点的热阻，

表示总体模型中固定节点的热阻，

表示总体模型中自由节点的温度，

表示总体模型中固定节点的温度，Q表示第一通量值；

其中，第一通量值满足：

其中，n为通量值X的法向，C为常数，该常数等于总体模型对应节点的温度值。

结合第一方面，在第一方面第八实施方式中，所述根据所述局部模型，确定所述物理场的第二通量值，包括：获取所述低温电机的材料特征参数值；根据所述材料特征参数值以及所述局部模型，确定所述物理场的第二通量值。

结合第一方面第八实施方式，在第一方面第九实施方式中，通过下述公式，计算所述第二通量值：

其中，

表示有限元域边界的固定节点的温度，

表示有限元域内部的自由节点的温度。

结合第一方面，在第一方面第十实施方式中，所述根据预设的边界条件、所述第一通量值以及所述第二通量值，确定所述物理场的参数信息，包括：根据预设的边界条件、所述第一通量值以及所述第二通量值，确定所述低温电机的联合模型；通过求解所述低温电机的联合模型，确定所述物理场的参数信息。

结合第一方面第十实施方式，在第一方面第十一实施方式中，通过下述公式，求解所述联合模型：

其中，n表示局部模型边界的外法线，T表示固定节点的温度，Γ表示耦合边界，C^TFE表示二维系数矩阵，其行数与

相同，记为Q_TTNf，其列数与

的行数相同，记为Q_TFEf，其第k(k＝1,2,3,…,Q_TTNf)行、第m(m＝1,2,3,…,Q_TFEf)列元素c_k,m(TN)满足：

联合模型中的耦合节点满足：

其中，

表示所述总体模型与所述局部模型相连接的边界节点的温度，{C^TFE}^T表示二维系数矩阵C^TFE的转置矩阵。

根据第二方面，本发明实施例公开了一种低温电机物理场的分析装置，包括：获取模块，用于获取所述物理场的基本元素信息，所述物理场包括电磁场、温度场、流体场；第一确定模块，用于在预设的第一区域，根据所述第一区域中的基本元素信息确定所述物理场的总体模型；第二确定模块，用于根据所述总体模型，确定所述物理场的第一通量值；第三确定模块，用于在预设的第二区域，根据所述第二区域中的基本元素信息确定所述物理场的局部模型；第四确定模块，用于根据所述局部模型，确定所述物理场的第二通量值；第五确定模块，用于根据预设的边界条件、所述第一通量值以及所述第二通量值，确定所述物理场的参数信息。

根据第三方面，本发明实施例公开了一种低温电机物理场的分析系统，包括：至少一个控制设备，所述控制设备用于执行如第一方面或第一方面任一实施方式中所述的低温电机物理场的分析方法的步骤，根据获取物理量信息以及基本元素信息，确定所述低温电机物理场的参数信息。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的一种低温电机的物理场分析方法、装置及系统，其中，该方法包括：获取物理场的基本元素信息，物理场包括电磁场、温度场、流体场，基本元素信息是用以表征物理场基本参数的信息；在预设的第一区域，根据第一区域中的基本元素信息确定物理场的总体模型；根据总体模型，确定物理场的第一通量值；在预设的第二区域，根据第二区域中的基本元素信息确定物理场的局部模型；根据局部模型，确定物理场的第二通量值；根据预设的边界条件、第一通量值以及第二通量值，确定物理场的参数信息。通过实施本发明，解决了在使用中、大功率潜液式LNG泵的应用场景中，按照传统方法设计的低温电机，存在的电机损耗过大而导致的LNG泵运行故障，进而引发的电机材料大量浪费的缺陷，可以快速而准确的计算低温电机耦合物理场，确定低温电机的参数，由此设计出的低温电机减少了电机材料的损耗，可以使低温电机的驱动性能变得更加优异。

2.本发明提供的一种低温电机的物理场分析方法、装置及系统，其中，该方法还包括：在获取所述物理场的基本元素信息前，还包括：获取物理场的第一物理量与第二物理量；根据所述物理场的第一物理量与第二物理量，确定所述物理场各区域的梯度变化值；判断所述物理场各区域的梯度变化值与预设梯度变化值的大小关系，将大于预设梯度变化值的物理场区域划分为所述第一区域，将小于或等于预设梯度变化值的物理场区域划分为所述第二区域。在梯度变化值大的区域使用数值法模型计算，在梯度变化值小的区域选择采用集总参数网络模型计算，通过实施本步骤中的技术方法，可以精确的区分低温电机物理场中的梯度变化值大小的区域，兼顾了集总参数网络法的快速性和数值分析法的准确性、详细性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例1中一种低温电机的物理场分析方法的一个具体示例的流程框图；

图2为本发明实施例1中一种低温电机的物理场分析方法中预设第一区域与第二区域的结构框图；

图3为本发明实施例1中一种低温电机的物理场分析方法中总体模型的结构框图；

图4A为本发明实施例1中一种低温电机的物理场分析方法中耦合模型的结构框图；

图4B为本发明实施例1中一种低温电机的物理场分析方法中局部模型的结构框图；

图4C为本发明实施例1中一种低温电机的物理场分析方法中局部模型中D部分的局部放大图；

图5为本发明实施例1中一种低温电机的物理场分析方法中温度场中的总体模型与局部模型的一个具体示例的结构框图；

图6为本发明实施例1中一种低温电机的物理场分析方法中确定预设第一区域与第二区域的结构框图；

图7为本发明实施例1中一种低温电机的物理场分析方法确定第一通通量值的流程框图；

图8为本发明实施例1中一种低温电机的物理场分析方法中确定第二通量值的流程框图；

图9为本发明实施例1中一种低温电机的物理场分析方法中耦合模型的一个具体示例的结构框图；

图10为本发明实施例1中一种低温电机的物理场分析方法中表示电磁场、温度场、流体场之间耦合关系的结构框图；

图11为本发明实施例2中一种低温电机的物理场分析装置的一个具体示例的流程框图；

图12为本发明实施例3中一种低温电机的物理场分析系统中控制设备的结构框图；

图13为本发明实施例3中一种低温电机的物理场分析系统中控制器的结构框图。

附图标记：

1-集总参数网络域；2-有限元域；3-定子轭；4-定子齿；5-定子槽；6-转子槽；7-转子齿；8-转子轭；9-气隙；10-电磁集总参数网络模型；11-定子轭磁阻；12-定子(每槽)绕组磁动势；13-定子齿磁阻；14-转子磁阻；15-转子(每个导条环)磁动势；16-转子轭磁阻；17-定子齿尖；18-气隙；19-转子导条顶部；20-转子齿尖；21-节点；22-热阻；23-有限元模型；24-集总参数网络模型；25-有限元模型。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明所提供的一种低温电机的物理场分析方法、装置及系统，该方法具体用于设计潜液式液化天然气泵中的电机的场景中，本领域技术人员熟知，输送液化天然气需要在低温条件下进行，所以潜液式液化天然气泵中的电机的工作环境一般为-162℃，因此被称为低温电机，但是使用现有的常温电机设计方法设计潜LNG低温电机会引发电机参数与低温工作环境不相匹配的问题，此时电机的关键参数通常会留有很大的余量，造成电机材料的浪费。

而对于常温电机，根据丰富的经验公式和试验数据，可以采用集总参数-解析公式法，对常温电机的耦合物理场进行快速和较为准确的计算，进而对电机进行参数分析和优化设计；而数值法通常是对电机某一成型方案的耦合物理场进行单向弱耦合分析。但是，单单采用这两种方法计算潜LNG低温电机的耦合物理场会出现误差。这是由于潜LNG低温电机缺乏经验公式和试验数据，造成建立集总参数模型存在困难，而且对于低温条件下电机材料的非线性变化不可忽略，而集总参数-解析公式法计算过程一般不考虑电机材料的非线性；还因为，在低温条件下，潜LNG低温电机各物理场之间的耦合作用关系更为复杂，采用数值法单向弱耦合计算潜LNG低温电机的物理场会出现计算结果失真。

基于以上原因，本发明提出一种联合数值法和集总参数网络法对潜LNG低温电机的耦合物理场进行计算分析，针对潜LNG低温电机的结构和低温流体环境，充分考虑各物理场之间的耦合作用，可以合理准确而快速的分析物理场，通过实施本发明中的分析方法，可以将数值法和集总参数网络法进行有效融合，数值计算法计算低温电机局部耦合物理场，集总参数网络法计算低温电机总体耦合物理场，其中集总参数网络模型的部分节点数据与数值法的边界数据相互交换。弥补了现有设计方法的不足，兼顾了集总参数网络法的快速性和数值分析法的准确性和详细性，且能够充分考虑了潜LNG低温电机物理场之间的相互耦合作用，精确而快速地根据低温电机模型计算出低温电机的物理场分布，从而可以计算出此低温电机的输出转矩、损耗、温度分布、流体分布等重要参数，通过使用本发明所提供的联合数值法和集总参数网络法的物理场计算方法，结合优化设计方法，可基于多物理场分析对低温电机进行最优化设计，保证了低温电机驱动性能的优异的同时，节省电机材料的使用。

实施例1

本发明实施例提供一种低温电机物理场的分析方法，可以用于在低温条件下，传输液化天然气所使用的潜液式液化天然气泵中的低温电机的具体设计场景中，如图1所示，该方法包括：包括：

步骤S11：获取物理场的基本元素信息，物理场包括电磁场、温度场、流体场，基本元素信息是用以表征物理场基本参数的信息。在本实施例中，低温电机的物理场主要包括电磁场、温度场以及流体场，分别获取物理场的基本元素信息，也就是获取物理场的基本参数信息，例如，在电磁场中，基本元素信息可以是由磁阻R_m、磁动势F_m和磁通Φ组成，磁阻是与电阻类似的物理量，通过下述公式计算磁阻R_m：

其中，ρ_m为磁阻率，l为磁路长度，S为磁路的横截面积；

通过下述公式计算磁通Φ：

在温度场中，基本元素信息可以是由热阻R_t、温度T和热流量q_t组成，通过下述公式计算热阻：

其中，ρ_t为热阻率，也就是电机材料热导率的倒数，l_t为热路的传导长度，S_t为热路传导横截面积；

通过下述公式计算温度T：

T＝q_t*R_t；

在流体场中，基本元素信息可以是由流阻R_f、流体压降P_f、流量Q_f组成，通过下述公式计算流体压降：

P_f＝R_f*Q_f ²。

步骤S12：在预设的第一区域，根据第一区域中的基本元素信息确定物理场的总体模型。在本实施例中，如图2所示，预设的第一区域可以是物理场的定、转子(不包含齿尖)的区域，可以根据目标时间段的历史磁阻、磁动势、磁通的试验数据，使用集总参数-解析公式法，建立集总参数的网络模型；也可以根据目标时间段的历史热阻、温度、热流量的试验数据，使用集总参数-解析公式法，建立集总参数的网络模型；还可以根据目标时间段内的历史流阻、流体压降、流量，建立集总参数的网络模型，具体地，低温电机的集总参数电磁网络模型如图3所示，包括多个定子齿4以及转子齿7，每个定子齿4以及转子齿7在集总参数电磁网络可以由对应的磁阻表示，而磁阻与电路网络中的电阻类似，例如，图3中的磁阻13可以表示定子齿，磁阻14可以表示转子齿，而每两个相邻的定子齿4之间的定子轭3可以由相应地磁阻11表示，定子槽5内的绕组产生的磁动势在集总参数的网络模型中由磁动势12(与电路网络中的电压类似)表示，其位于每个定子齿4与定子轭3之间，转子磁动势与定子类似，每两个相邻转子导条(包括两侧端部端环)构成磁动势15，具体地，转子轭磁阻16之间的点是接地的，u_1,i可以表示定子侧轭部节点磁动势，其中，i＝1,2,3,…,Q_s，Q_s表示定子齿(槽)数；u_2,i可以表示定子侧的节点磁动势，其中，i＝1,2,3,…,Q_s，Q_s表示定子齿(槽)数；u_3,j可以表示转子侧的节点磁动势，其中，j＝1,2,3,…,Q_r，Q_r表示转子齿(槽)数；u_4,j可以表示转子侧轭部节点磁动势，其中，j＝1,2,3,…,Q_r，Q_r表示转子齿(槽)数；定子侧轭部节点磁动势与转子侧轭部节点磁动势未与局部模型耦合，定子侧的节点磁动势与转子侧的节点磁动势连接局部模型，也就是有限元模型边界的固定节点。Φ_st,i可以表示定子齿部磁通，Φ_rt,j可以表示转子齿磁通，u₁，u₂，u₃和u₄为磁动势。

步骤S13：根据总体模型，确定物理场的第一通量值；在本实施例中，根据建立的集总参数网络模型，就可以确定物理场的第一通量值，例如，在电磁场中，通过总体模型，也就是集总参数网络模型，可以得到的通量值就是磁通的值；在温度场中，通过总体模型，也就是集总参数网络模型，可以得到的通量值就是热流量的值；在流体场中，通过总体模型，也就是集总参数网络模型，可以得到的通量值就是流量的值。

示例性的，在温度场中，通过下述公式，计算所述第一通量值：

其中，

表示总体模型中自由节点的热阻，

表示总体模型中固定节点的热阻，

表示总体模型中自由节点的温度，

表示总体模型中固定节点的温度，Q表示第一通量值；

其中，第一通量值满足：

其中，n为通量值X的法向，C为常数，该常数等于总体模型对应节点的温度值。

示例性的，在电磁场中，第一通量值可以是磁通，具体地，通过下述公式计算：

根据节点电压法可以得到总体模型中非耦合节点磁动势，如图3中u_1,j与u_1,i所示：

其中，G^RN为电磁总体模型的磁导矩阵，u₁＝[u_1,1u_1,2u_1,3…u_1,Qs]^T和u₄＝[u_4,1u_{4, 2}u_4,3…u_4,Qr]^T表示节点磁动势向量。

步骤S14：在预设的第二区域，根据第二区域中的基本元素信息确定物理场的局部模型；在本实施例中，数值法是一种对电机某一成熟方案的耦合物理场进行单向弱耦合分析的方法，可以指有限元位移法，在力学模型正确的条件下，也就是可以包括网格划分、边界条件、外力处理等条件正确的情况下，通过此种方法可以获得准确的结构变形及应力状态；还可以指有限元法,是在解析法FGM模型的基础上,在不同尺度上进行有限元离散,离散单元尺度不同,进行有限元计算时要满足的连续性条件不同,得到不同精确度的结果，具体地，可以根据有限元法确定所述温度场、所述电磁场的局部模型，根据有限体积法确定所述流体场的局部模型。

示例性的，预设的第二区域可以是如图4A-图4C所示，虚线标示部分为预设的第二区域，也就是有限元域，组成的是使用有限元法或者有限体积法构建的有限元模型，也就是局部模型，图4B为使用有限元法剖分的局部模型放大图；图4C为有限元模型的局部放大图，具体地，由定子齿尖17、转子齿尖20、定子齿尖17与转子齿尖20的气隙18以及转子导条顶部19组成；图中所标示出的定子边界i，其中，i＝1,2,3,…,Q_s,Q_s为定子齿(槽)数，转子边界j，其中，j＝1,2,3,…,Q_r,Q_r,为转子齿(槽)数，与图中的对应节点进行耦合连接，表示有限元模型的固定节点，也就是局部模型的固定节点，而有限元其它剖分节点称为自由节点。

步骤S15：根据局部模型，确定物理场的第二通量值；在本实施例中，物理场的第二通量值是与第一通量值相同的物理量，是在不同的模型中通过不同的计算方法得到的，表示方法不同，但是物理量的具体含义相同，例如，在温度场中通量值可以是热流量的值；在电磁场中通量值可以是磁通；在流体场中通量值可以是流量的值。

示例性的，在温度场中，通过求解下述公式计算热流量：

其中，k为导热系数，T为温度，q为单位体积的发热率；

其中，

表示有限元域边界的固定节点的温度，

表示有限元域内部的自由节点的温度。

示例性的，在电磁场中，通过求解下述公式计算磁通：

在电磁场的有限元域，采用磁标量势进行求解，

对于有限元域，不含有磁场的源电流(转子导条顶部电流假定为零)，因此采用磁标量势进行求解：

其中，

为拉普拉斯算子，在下述叙述中用S表示，ψ为磁标量势矩阵；

有限元域可以由固定节点和自由节点组成，对应的标量势分别可以用

和

表示，因此：

由于有限元域没有磁通源，根据磁通守恒原则：

其中，M为磁阻矩阵。

步骤S16：根据预设的边界条件、第一通量值以及第二通量值，确定物理场的参数信息。在本实施例中，如图4A所示，为物理场的联合模型，也就是总体模型与局部模型的耦合模型，也就是集总参数网络模型与有限元模型的耦合模型，通过有限元边界的固定节点的标量势与集总参数网络模型耦合节点磁动势相等的关系，以及集总参数网络模型中的定、转子齿磁通，也就是耦合节点的磁通与对应的有限元固定节点的磁通相等关系，就可求解联合模型，也就是求解耦合模型，得到集总参数网络模型中的磁动势u₁，u₂，u₃、u₄和局部模型中的有限元的磁标量势

和

示例性的，在温度场中，如图5所示，由热阻21组成潜LNG低温异步电机温度场的集总参数网络模型，对应低温电机的定子轭、转轴、轴承、机壳以及LNG环境部分；局部模型23对应低温电机的转子齿和转子导条、气隙、定子齿和定子绕组部分。

示例性的，根据本领域技术人员熟知的经典公式，就可确定磁场中电流等其他物理量，确定电磁场的具体参数，在此不再赘述。

本发明提供的一种低温电机的物理场分析方法，其中，该方法包括：获取物理场的基本元素信息，物理场包括电磁场、温度场、流体场，基本元素信息是用以表征物理场基本参数的信息；在预设的第一区域，根据第一区域中的基本元素信息确定物理场的总体模型；根据总体模型，确定物理场的第一通量值；在预设的第二区域，根据第二区域中的基本元素信息确定物理场的局部模型；根据局部模型，确定物理场的第二通量值；根据预设的边界条件、第一通量值以及第二通量值，确定物理场的参数信息。通过实施本发明，解决了在使用中、大功率潜液式LNG泵的应用场景中，按照传统方法设计的低温电机，存在的电机损耗过大而导致的LNG泵运行故障，进而引发的电机材料大量浪费的缺陷，可以快速而准确的计算低温电机耦合物理场，确定低温电机的参数，由此设计出的低温电机减少了电机材料的损耗，可以使低温电机的驱动性能变得更加优异。

作为本申请一个可选实施方式，如图6所示，在步骤S11,获取物理场的基本元素信息前，该方法还包括：

步骤S21：获取物理场的第一物理量与第二物理量；具体地，在电磁场中，第一物理量可以是电源电压或者电流，第二物理量可以是转速和负载转矩，在明确低温电机的物理尺寸的长、宽、高，以及低温电机的材料特性的条件下，我们可以得到电磁场的梯度值。

步骤S22：根据物理场的第一物理量与第二物理量，确定物理场各区域的梯度变化值。

示例性的，通过下述公式，确定物理场各区域的梯度变化值：

其中，

为物理场梯度变化值，h₁、h₂、h₃分别为第一度量系数、第二度量系数、第三度量系数。

步骤S23：判断物理场各区域的梯度变化值与预设梯度变化值的大小关系，将大于预设梯度变化值的物理场区域划分为第一区域，将小于或等于预设梯度变化值的物理场区域划分为第二区域。

示例性的，如图2所示，1区域表示预设的第一区域，为集总参数电磁网络域，表示梯度变化值低于预设梯度变化值的区域，此区域的梯度变化不明显，可以使用由常温电机的目标时间段内的历史经验数据与试验数据构建而成的解析公式；2区域表示预设的第二区域，为有限元域，表示梯度变化值高于预设梯度变化值的区域，此区域的梯度变化明显，使用有限元法或者有限体积法。

本发明提供的一种低温电机的物理场分析方法，其中，该方法还包括：通过预设第一区域以及第二区域，也就是集总参数电磁网络域以及有限元域分别建立总体模型以及局部模型，充分考虑各物理场之间的耦合作用，将数值计算法和集总参数网络法进行有效融合，数值计算法计算电机局部耦合物理场，兼顾了集总参数网络法的快速性和数值分析法的准确性和详细性。

作为本申请一个可选地实施方式，如图7所示，步骤S13，根据总体模型，确定物理场的第一通量值，具体包括：

步骤S131：获取低温电机的材料特征参数值；在本实施例中，低温电机的材料特征参数值包括：低温电机材料的低温特性，例如：硅钢片的B(磁感应强度)-H(磁场强度)曲线、铁耗曲线，LNG的热导率、密度。

步骤S132：根据材料特征参数值以及总体模型，确定物理场的第一通量值。在本实施例中，确定总体模型后，将上述低温电机的材料特征参数值赋值给上述模型，也就是集总参数网络模型。

作为本申请一个可选地实施方式，如图8所示，步骤S15，根据局部模型，确定物理场的第二通量值，具体包括：

步骤S151：获取低温电机的材料特征参数值；在本实施例中，低温电机的材料特征参数值包括：低温电机材料的低温特性，例如：硅钢片的B(磁感应强度)-H(磁场强度)曲线、铁耗曲线，LNG的热导率、密度。

步骤S152：根据材料特征参数值以及局部模型，确定物理场的第二通量值。在本实施例中，确定局部模型后，将上述低温电机的材料特征参数值赋值给上述模型，也就是有限元模型。

本发明提供的一种低温电机的物理场分析方法，其中，该方法具体包括：通过获取低温电机材料的特征参数值，低温电机一般有硅钢片材料制造而成，在低温环境下，硅钢片的材料属性会发生非线性变化，通过实时获取的材料特征值，并及时赋值给建立的模型，保证了物理场计算的准确性。

作为本申请一个可选地实施方式，根据预设的边界条件、第一通量值以及第二通量值，确定物理场的参数信息，包括：

步骤S61：根据预设的边界条件、第一通量值以及第二通量值，确定低温电机的联合模型；

步骤S62：通过求解低温电机的联合模型，确定物理场的参数信息。

示例性的，通过下述公式计算：

如图9所示，表示集总参数电磁网络域与数值域的耦合，图中集总参数网络模型24与有限元模型25的耦合边界处的各节点的耦合是通过预设的边界条件进行约束，因此，第i-1,i,i+1个节点的磁通X需满足下述条件：

其中，n为磁通X的法向，C为常数，该常数等于网络模型对应节点值。

与此同时，由局部模型得到的第i-1,i,i+1个节点的通量值，也就是第二通量值，与集总参数网络模型连接的支路的通量值，也就是第一通量值相等，因此，实现集总参数网络模型与局部模型的相互耦合。

示例性的，通过下述公式计算，总体模型中的耦合节点与局部模型中的固定节点之间的关系：

其中，u₂＝[u_2,1u_2,2u_2,3…u_2,Qs]^T和u₃＝[u_3,1u_3,2u_3,3…u_3,Qr]^T表示节点磁动势向量，矩阵C^RN为二维系数矩阵，其列数为(Q_s+Q_r)，行数与

相同，

的行数可以为Q_ψ，其第k(k＝1,2,3,…,Q_ψ)行、第m(m＝1,2,3,…,(Qs+Qr))列元素c_k,m(RN)满足

示例性的，在温度场中，求解联合模型：

其中，n表示局部模型边界的外法线，T表示固定节点的温度，Γ表示耦合边界，C^TFE表示二维系数矩阵，其行数与

相同，记为Q_TTNf，其列数与

的行数相同，记为Q_TFEf，其第k(k＝1,2,3,…,Q_TTNf)行、第m(m＝1,2,3,…,Q_TFEf)列元素c_k,m(TN)满足：

联合模型中的耦合节点满足：

其中，

表示总体模型与局部模型相连接的边界节点的温度，{C^TFE}^T表示二维系数矩阵C^TFE的转置矩阵。

本发明提供的一种低温电机的物理场分析方法，其中，该方法具体包括：通过总体模型中的耦合节点的通量值与局部模型中固定节点的通量值相等的关系，通过求解联合模型，可以快速而准确的计算低温电机耦合物理场，确定低温电机的参数，由此设计出的低温电机减少了电机材料的损耗，可以使低温电机的驱动性能变得更加优异。

作为本申请一个可选地实施方式，该方法还包括：计算低温电机的耦合物理场，具体地，潜LNG低温电机的电磁场、温度场和流体场的耦合关系如图10所示，低温电机的物理场之间为双向耦合，图中所标示的数字为对应的数据流标示，具体地，1表示电磁场计算得到的定子绕组和转子导条欧姆损耗，以及硅钢片铁耗；2表示温度场计算的定子绕组、转子导条以及硅钢片的温度分布；3表示电磁场计算的转子转速；4表示电机气隙内的LNG流体分布；5表示LNG流体的温度分布；6表示LNG流体的流速及状态。

在每一时间步长进行计算时，根据耦合场之间传递的数据流，更新各物理场的计算条件，然后进行迭代计算直至各物理场的数据流满足给定误差，再进行下一步计算。

本发明实施例提供的低温电机物理场的分析方法，通过数据流的流量进行耦合物理场的计算，在每步的计算结果满足给定误差后才会进行下一步的计算，可以减少耦合物场计算时出现的误差，精确而快速地确定低温电机的参数。

实施例2

本发明实施例提供一种低温电机物理场的分析装置，如图11所示，包括：

获取模块，用于获取物理场的基本元素信息，物理场包括电磁场、温度场、流体场；详细实施内容可参见上述方法实施例中步骤S11的相关描述。

第一确定模块，用于在预设的第一区域，根据第一区域中的基本元素信息确定物理场的总体模型；详细实施内容可参见上述方法实施例中步骤S12的相关描述。

第二确定模块，用于根据总体模型，确定物理场的第一通量值；详细实施内容可参见上述方法实施例中步骤S1,3的相关描述。

第三确定模块，用于在预设的第二区域，根据第二区域中的基本元素信息确定物理场的局部模型；详细实施内容可参见上述方法实施例中步骤S12的相关描述。

第四确定模块，用于根据局部模型，确定物理场的第二通量值；详细实施内容可参见上述方法实施例中步骤S14的相关描述。

第五确定模块，用于根据预设的边界条件、第一通量值以及第二通量值，确定物理场的参数信息，详细实施内容可参见上述方法实施例中步骤S15的相关描述。

本发明提供的一种低温电机的物理场分析装置，该装置包括：通过获取模块获取物理场的基本元素信息，物理场包括电磁场、温度场、流体场，基本元素信息是用以表征物理场基本参数的信息；通过第一确定模块，在预设的第一区域，根据第一区域中的基本元素信息确定物理场的总体模型；通过第二确定模块以及总体模型，确定物理场的第一通量值；通过第三确定模块，在预设的第二区域，根据第二区域中的基本元素信息确定物理场的局部模型；通过第四确定模块以及局部模型，确定物理场的第二通量值；最后，通过第五确定模块，具体根据预设的边界条件、第一通量值以及第二通量值，确定物理场的参数信息。通过实施本发明，解决了在使用中、大功率潜液式LNG泵的应用场景中，按照传统方法设计的低温电机，存在的电机损耗过大而导致的LNG泵运行故障，进而引发的电机材料大量浪费的缺陷，可以快速而准确的计算低温电机耦合物理场，确定低温电机的参数，由此设计出的低温电机减少了电机材料的损耗，可以使低温电机的驱动性能变得更加优异。

实施例3

本发明实施例提供一种低温电机物理场的分析系统，其中包括至少一个控制设备61，控制设备61用于执行如上述实施例中任一项的所述的低温电机物理场的分析方法的步骤。

如图12所示，控制设备61，包括：

第一通讯模块611：用于传输数据，接收和传输获取到的物理场的基本元素信息。该第一通讯模块可以是蓝牙模块，Wi-Fi模块，通过设定的无线通讯协议，继而通信。

第一控制器612：与第一通讯模块611连接，如图13所示，包括：至少一个处理器71；以及与至少一个处理器71通信连接的存储器72；其中，存储器72存储有可被至少一个处理器71执行的指令，当接收到数据信息时，以使至少一个处理器71执行图1所示的低温电机物理场的分析方法，图7中以一个处理器为例，处理器71，存储器72通过总线70连接，在本实施例中，第一通讯模块可以为无线通讯模块，例如，蓝牙模块，Wi-Fi模块等，也可以为有线通讯模块。第一控制器612与第一通讯模块611之间的传输是无线传输。

存储器72作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的低温电机物理场的分析方法对应的程序指令/模块。处理器71通过运行存储在存储器72中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的低温电机物理场的分析方法。

存储器72可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据服务器操作的处理装置的使用所创建的数据等。此外，存储器72可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器72可选包括相对于处理器71远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至网络连接装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

一个或者多个模块存储在存储器72中，当被一个或者多个处理器71执行时，执行上述实施例任意一项描述的方法。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (14)

1.一种低温电机物理场的分析方法，其特征在于，包括：

获取所述物理场的基本元素信息，所述物理场包括电磁场、温度场、流体场，所述基本元素信息是用以表征物理场基本参数的信息；

在预设的第一区域，根据所述第一区域中的基本元素信息确定所述物理场的总体模型；

根据所述总体模型，确定所述物理场的第一通量值；

在预设的第二区域，根据所述第二区域中的基本元素信息确定所述物理场的局部模型；

根据所述局部模型，确定所述物理场的第二通量值；

根据预设的边界条件、所述第一通量值以及所述第二通量值，确定所述物理场的参数信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在获取所述物理场的基本元素信息前，还包括：

获取物理场的第一物理量与第二物理量；

根据所述物理场的第一物理量与第二物理量，确定所述物理场各区域的梯度变化值；

判断所述物理场各区域的梯度变化值与预设梯度变化值的大小关系，将大于预设梯度变化值的物理场区域划分为所述第一区域，将小于或等于预设梯度变化值的物理场区域划分为所述第二区域。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过下述公式，确定所述物理场各区域的梯度变化值：

其中，

为物理场梯度变化值，h₁、h₂、h₃分别为第一度量系数、第二度量系数、第三度量系数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物理场可以是温度场，通过下述公式，计算所述温度场的总体模型：

其中，R^TN表示热阻，T^TN表示节点温度，Q表示热源。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下述公式，计算所述温度场的局部模型：

其中，k为导热系数，T为温度，q为单位体积的发热率。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述物理场的基本元素信息确定所述物理场的局部模型，具体包括：

根据有限元法确定所述温度场、所述电磁场的局部模型，根据有限体积法确定所述流体场的局部模型。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述总体模型，确定所述物理场的第一通量值，包括：

获取所述低温电机的材料特征参数值；

根据所述材料特征参数值以及所述总体模型，确定所述物理场的第一通量值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过下述公式，计算所述第一通量值：

其中，

表示总体模型中自由节点的热阻，

表示总体模型中固定节点的热阻，

表示总体模型中自由节点的温度，

表示总体模型中固定节点的温度，Q表示第一通量值；

其中，第一通量值满足：

其中，n为通量值X的法向，C为常数，该常数等于总体模型对应节点的温度值。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述局部模型，确定所述物理场的第二通量值，包括：

获取所述低温电机的材料特征参数值；

根据所述材料特征参数值以及所述局部模型，确定所述物理场的第二通量值。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过下述公式，计算所述第二通量值：

其中，

表示有限元域边界的固定节点的温度，

表示有限元域内部的自由节点的温度。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据预设的边界条件、所述第一通量值以及所述第二通量值，确定所述物理场的参数信息，包括：

根据预设的边界条件、所述第一通量值以及所述第二通量值，确定所述低温电机的联合模型；

通过求解所述低温电机的联合模型，确定所述物理场的参数信息。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过下述公式，求解所述联合模型：

其中，n表示局部模型边界的外法线，T表示固定节点的温度，Γ表示耦合边界，C^TFE表示二维系数矩阵，其行数与

相同，记为Q_TTNf，其列数与

的行数相同，记为Q_TFEf，其第k(k＝1,2,3,…,Q_TTNf)行、第m(m＝1,2,3,…,Q_TFEf)列元素c_k,m(TN)满足：

联合模型中的耦合节点满足：

其中，

表示所述总体模型与所述局部模型相连接的边界节点的温度，{C^TFE}^T表示二维系数矩阵C^TFE的转置矩阵。

13.一种低温电机物理场的分析装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取所述物理场的基本元素信息，所述物理场包括电磁场、温度场、流体场；

第一确定模块，用于在预设的第一区域，根据所述第一区域中的基本元素信息确定所述物理场的总体模型；

第二确定模块，用于根据所述总体模型，确定所述物理场的第一通量值；

第三确定模块，用于在预设的第二区域，根据所述第二区域中的基本元素信息确定所述物理场的局部模型；

第四确定模块，用于根据所述局部模型，确定所述物理场的第二通量值；

第五确定模块，用于根据预设的边界条件、所述第一通量值以及所述第二通量值，确定所述物理场的参数信息。

14.一种低温电机物理场的分析系统，其特征在于，包括：

至少一个控制设备，所述控制设备用于执行如权利要求1-12中任一项所述的低温电机物理场的分析方法的步骤，根据获取物理量信息以及基本元素信息，确定所述低温电机物理场的参数信息。

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