CN112134410B - 一种永磁电机的稳态温度场模型的优化散热设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸尘器用永磁电机的稳态温度场模型的优化散热设计方法，包括根据高速永磁电机确定电机外壳内径、长度及换向器外径，构建几何模型；获取电机额定工况下的参数，计算电机内部的损耗产热；根据内嵌式离心叶轮散热模型，计算电机内部散热；构建叶轮数参数化内嵌式离心叶轮模型，并进行电机发热‑换热稳态温度场仿真，根据电机温度场分布确定离心叶轮模型最优叶轮数。本发明构建一种内嵌式离心叶轮装置，其装置可优化吸尘器用电机的散热效率，根据吸尘器用高速永磁电机产热原理，采用仿真进行电机稳态温度场模拟，确定最优离心叶轮装置参数，实现吸尘器用永磁电机的温度场模拟并优化散热。

Description

一种永磁电机的稳态温度场模型的优化散热设计方法

技术领域

本发明涉及吸尘器中高速永磁电机技术领域，尤其涉及一种吸尘器用永磁电机的稳态温度场模型的优化散热设计方法。

背景技术

驱动电机将电力转化为驱动力，通过电机的驱动力传递给吸尘器叶轮负载。吸尘器用高速永磁电机，需要具备体积小，转速高，启动快，寿命长等特点。目前各大厂商不断提高自身产品的性价比，也对性能提出更高要求。高速永磁电机在运行过程中，会产生大量的热量，直接影响电机的效率，使用寿命。本发明公开一种吸尘器用永磁电机的稳态温度场模型及优化散热设计方法，采用本方法可优化在吸尘器不同功率模式下的温度场分析及高效散热，保证电机关键零部件温度均匀，降低电机最高温度，优化电机工作环境。

在本发明以前的吸尘器用换向偏转高速永磁电机设计方法现有技术中，有如下几篇对比专利和文献:

1)高功率密度电机冷却系统设计方法及采用该方法设计的电机(CN 111222279A)公开了一种冷却液流系统，冷却液留到布置在定子外壳内部，有效提升电机散热效率，该发明采用液流冷却方式，需增加电机负荷；

2)一种定子铁芯冷却结构及电机冷却系统(CN 111509876 A)公开一种定子铁芯冷却结构及电机冷却系统，通过对铁芯上的轴向凹槽冲压成型，形成油液冷却通道，提升电机散热效率，该发明适用于高功率密度电机散热优化，但液流冷却不适合于真空吸尘器电机工作环境。

3)电机冷却结构(CN 110601444 A)公开了风冷式电机冷却装置，通过改变罩体上进风口的布置并设置吸音材料，改变冷却气流的流动路径，避免气流对流导致的噪音，提升电机散热，该发明对外界高风速环境适用好，但需采用吸音材料，并改变罩体进风口布置，对电机改动较大，需增加一定成本。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种吸尘器用永磁电机的稳态温度场模型的优化散热设计方法。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种永磁电机的稳态温度场模型的优化散热设计方法，包括：

A根据高速永磁电机确定电机外壳内径D_max、长度L及换向器外径d，构建几何模型；

B获取电机额定工况下的参数，计算电机内部的损耗产热；

C根据内嵌式离心叶轮散热模型，计算电机内部散热；

D构建叶轮数参数化内嵌式离心叶轮模型，并进行电机发热-换热稳态温度场仿真，根据电机温度场分布确定离心叶轮模型最优叶轮数。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

本发明通过构建一种内嵌式离心叶轮散热装置，其装置可优化电机散热。根据吸尘器用高速永磁电机产热原理，采用仿真进行电机稳态温度场模拟，确定最优离心叶轮装置参数，最终可确定离心叶轮散热装置的具体结构，实现吸尘器用高速永磁电机的温度场模拟并优化散热。本方法灵活简便、适应性强，可优化在吸尘器不同功率模式下的温度场分析及高效散热，保证电机关键零部件温度均匀，降低电机最高温度，优化电机工作环境。

附图说明

图1是永磁电机的稳态温度场模型的优化散热设计方法流程图；

图2是内嵌式离心叶轮装配示意图；

图3是内嵌式离心叶轮装置示意图；

图4是内嵌式离心叶轮正视中心剖面示意图；

图5是永磁电机的稳态温度场模型及优化散热设计方法程序框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，永磁电机的稳态温度场模型及优化设计散热方法流程，包括：

步骤10根据吸尘器用高速永磁电机确定电机外壳内径D_max、长度L、换向器外径d，构建几何模型；

步骤20获取电机额定工况下的参数，计算电机内部的损耗产热；

步骤30根据内嵌式离心叶轮散热模型，计算电机内部散热；

步骤40构建叶轮数参数化内嵌式离心叶轮模型，并进行电机发热-换热稳态温度场仿真，根据电机温度场分布确定离心叶轮模型最优叶轮数。

如图2和图3所示，高速永磁电机的高效散热内嵌式离心叶轮由若干梯形扇叶201、环形底座202、固定支腿203组成；梯形扇叶201分布于环形底座202上端面；固定支腿203分布于环形底座202下端面；

如图4所示，永磁电机的高效散热内嵌式离心叶轮，梯形扇叶201沿环形底座202圆周切线方向的投影呈直角梯形。

如图5，上述步骤20电机内部的损耗产热计算方法为：

获取电机额定工况下的参数，若并联线圈间环流系数为k_r、导线数为n、线圈宽度为b、槽宽为b_s、电枢电流为I、R为绕组电阻，故定子绕组中铜耗产热P_cu计算公式为：

若k_s为损耗常数、B为磁通密度、β为硅钢片系数、ω_s为角速度，故特心中铁耗产热P_Fe计算公式为：

P_Fe＝k_sB^βω_s

若永磁体轴向长度为L_a、若永磁体径向宽度为L_b、永磁体体积为V、k_me为电动势比例常数、f_me为磁场交变频率、B_me为永磁体最大磁通密度、ρ₁为永磁体电阻率，故永磁体中涡流损耗产热P_me计算公式为：

上述步骤30电机内部散热计算方法为：

若物体密度为ρ、物体比热容为C_v、物体自身热流密度为p_v，故电机内部热传导应满足：

若对流系数为h、流体温度为T_f、壁面温度为T_w，根据内嵌叶轮驱使空气流动带走电机内壁间热量，故电机内部热对流速率q_f应满足：

q_f＝h(T_f-T_w)

若辐射率为ε、玻尔兹曼常数为σ、辐射面1到辐射面2的形状系数为F₁₂、辐射面1的面积为A₁、辐射面1的绝对温度为T₁、辐射面2的绝对温度为T₂，故电机内部辐射热流率为q_o应满足：

q_o＝σA₁εF₁₂(T₁-T₂)

上述步骤40中，离心叶轮最优叶轮数确定方法为：

建立参数化内嵌式离心叶轮模型，并采用仿真得到参数化电机发热-换热温度场分布，并采集数据。遍历不同离心叶轮数m情况下得到线圈平均温度T_1avg,线圈最大温度T_1max、铁芯平均温度T_2avg，铁芯最大温度为T_2max、永磁体平均温度为T_3avg、永磁体最大温度为T_3max。

根据已采集电机温度场分布数据，构建评价函数。若线圈平均温度评价系数为k₁₁、线圈最大温度评价系数为k₁₂、铁芯平均温度评价系数为k₂₁、铁芯最大温度评价系数为k₂₂、永磁体平均温度评价系数为k₃₁、永磁体最大温度评价系数为k₃₂，故评价函数F应满足：

F＝k₁₁T_1avg+k₁₁T_1max+k₂₁T_2avg+k₂₂T_2max+k₃₁T_3avg+k₃₂T_3max

从参数化结果中找到最小值Fmin，得到内嵌离心叶轮最优叶轮数m。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (2)

1.一种永磁电机的稳态温度场模型的优化散热设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：

步骤A根据高速永磁电机确定电机外壳内径D_max、长度L及换向器外径d，构建几何模型；

步骤B获取电机额定工况下的参数，计算电机内部的损耗产热；

步骤C根据内嵌式离心叶轮散热模型，计算电机内部散热；

步骤D构建叶轮数参数化内嵌式离心叶轮模型，并进行电机发热-换热稳态温度场仿真，根据电机温度场分布确定离心叶轮模型最优叶轮数；

所述步骤B中电机内部的损耗产热计算方法为：

获取电机额定工况下的参数，若并联线圈间环流系数为k_r、导线数为n、线圈宽度为b、槽宽为b_s、电枢电流为I、R为绕组电阻，故定子绕组中铜耗产热P_cu计算公式为：

若k_s为损耗常数、B为磁通密度、β为硅钢片系数、ω_s为角速度，故铁心中铁耗产热P_Fe计算公式为：

P_Fe＝k_sB^βω_s

若永磁体轴向长度为L_a、若永磁体径向宽度为L_b、永磁体体积为V、k_me为电动势比例常数、f_me为磁场交变频率、B_me为永磁体最大磁通密度、ρ₁为永磁体电阻率，故永磁体中涡流损耗产热P_me计算公式为：

所述步骤D中离心叶轮模型最优叶轮数确定方法为：

构建叶轮数参数化内嵌式离心叶轮模型，并采用仿真得到参数化电机发热-换热温度场分布，并采集数据；遍历不同离心叶轮数m情况下得到线圈平均温度T_1avg,线圈最大温度T_1max、铁芯平均温度T_2avg，铁芯最大温度为T_2max、永磁体平均温度为T_3avg、永磁体最大温度为T_3max；

根据已采集电机温度场分布数据，构建评价函数；若线圈平均温度评价系数为k₁₁、线圈最大温度评价系数为k₁₂、铁芯平均温度评价系数为k₂₁、铁芯最大温度评价系数为k₂₂、永磁体平均温度评价系数为k₃₁、永磁体最大温度评价系数为k₃₂，故评价函数F应满足：

F＝k₁₁T_1avg+k₁₁T_1max+k₂₁T_2avg+k₂₂T_2max+k₃₁T_3avg+k₃₂T_3max

从参数化结果中找到最小值F_min，得到内嵌离心叶轮最优叶轮数m。

2.如权利要求1所述的永磁电机的稳态温度场模型的优化散热设计方法，其特征在于，所述步骤C中电机内部散热计算方法为：

若物体密度为ρ、物体比热容为C_v、物体自身热流密度为p_v，故电机内部热传导应满足：

若对流系数为h、流体温度为T_f、壁面温度为T_w，根据内嵌式离心叶轮驱使空气流动带走电机内壁间热量，故电机内部热对流速率q_f应满足：

q_f＝h(T_f-T_w)

若辐射率为ε、玻尔兹曼常数为σ、辐射面1到辐射面2的形状系数为F₁₂、辐射面1的面积为A₁、辐射面1的绝对温度为T₁、辐射面2的绝对温度为T₂，故电机内部辐射热流率为q_o应满足：

q_o＝σA₁εF₁₂(T₁-T₂)。

Images