CN112329319B - 一种快速高精度电机温升求解方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速高精度电机温升求解方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、通过温度场有限元计算方法进行电机任一负载工况下的温升计算，从而获取该工况下的损耗所对应的精确的温升；步骤二、以损耗P作为输入量，以温度场有限元的温升计算结果θ₀作为输出量，设定传递函数的极点数量n和零点数量m的初始值；步骤三、构造传递函数G(s)；步骤四、判断通过传递函数G(s)与损耗所计算的温升θ₁与有限元计算的温升θ₀之间的误差是否满足规定范围δ。本发明基于该工况的温度场有限元计算结果，在保证计算结果几乎相同的情况下，将计算过程由复杂的多个网格内的微分方程联立，简化为计算简单的传递函数，从而实现温升的准确快速的计算。

Description

一种快速高精度电机温升求解方法

技术领域

本发明属于精确计算领域，涉及一种电机的温升计算方法。

背景技术

近年来，电机在国防、航天、交通、机械制造、医疗等领域的应用越来越广泛，且新型应用领域被逐步开发。然而，电机在运行中，由于损耗的存在，会带来温升与散热问题，这将对电机的寿命和运行性能带来影响。为了解决电机的散热问题，需要对电机的温升进行计算，目前所采用的温升计算方法主要有集总参数热路法以及温度场有限元法。集总参数热路法是将电机的散热路径以热源、热阻以及热容等形式表现出来，构建电机的热网络模型，通过求解热网络模型进行电机温升的计算，具有计算速度快的优点，但是在计算准确度上有所欠缺。温度场有限元法则是基于有限元模型进行的数值计算，具有计算准确的优点，但是其计算速度较慢，且每当工况改变时，就需要重新进行微分方程组的求解与迭代计算，计算所需时间过长。在进行电机的温升计算时，上述两种方法均无法同时保证计算的精确度和计算速度，不能满足应用需求。

发明内容

为了克服现有计算方法存在的上述不足，从而满足实际应用场景对于电机温升计算速度和精度的需求，本发明提供了一种快速高精度电机温升求解方法。温度场有限元虽然能够准确的计算电机温升，但是每当工况改变，就需要重新进行微分方程组的求解与迭代计算，耗时过长；而本发明的方法则通过一个工况下的求解，即可获取反映温升与损耗之间关系的传递函数，且该传递函数可用于任意工况下的温升计算，极大的缩短了计算时间。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种快速高精度电机温升求解方法，包括如下步骤：

步骤一、通过温度场有限元计算方法进行电机任一负载工况下的温升计算，从而获取该工况下的损耗所对应的精确的温升；

步骤二、以损耗P作为输入量，以温度场有限元的温升计算结果θ₀作为输出量，设定传递函数的极点数量n的初始值为1和零点数量m的初始值为0；

步骤三、根据极点数量n、零点数量m、损耗P以及温度场有限元的温升计算结果θ₀，使用参数辨识方法进行a₁、a₂……a_m+1和b₁、b₂……b_n+1的计算，从而完成传递函数G(s)的构造，其中：

θ₁＝G(s)·P；

式中，G(s)为传递函数，a₁、a₂……a_m+1和b₁、b₂……b_n+1为与电机结构参数和材料特性相关的系数，s为拉普拉斯算子，n为极点数量(n≥1)，m为零点数量(m≥0且m≤n)，P为损耗，θ₁为使用传递函数计算的温升；

步骤四、若通过传递函数G(s)与损耗所计算的温升θ₁，与有限元计算的温升θ₀之间的误差满足规定范围δ，则完成了传递函数G(s)的构造；若误差不满足规定范围δ，则修改极点数量n和零点数量m，若m小于n，则保持n不变，m增加1，重新返回步骤三进行传递函数的构造；若m不小于n，则令m＝0，n增加1，重新返回步骤三进行传递函数的构造；直至寻找到适合的极点数量和n与零点数量m，使得构造的传递函数G(s)所计算出的温升θ₁与温度场有限元的计算结果θ₀之间的误差满足规定范围δ。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明的方法具有计算快速且准确的优点。使用本发明的求解方法，可以将温度误差控制在规定范围以内，同时极大缩短了计算时间，快速且准确的实现了电机温升的计算。

2、本发明的求解方法能够考虑电机运行过程中绕组铜损、定子铁心损耗、转子涡流损耗所导致的电机温度的改变，适合用于电机设计中对温升要求较严格的领域。

附图说明

图1为本发明快速高精度电机温升求解方法的流程图；

图2为通过本发明快速高精度电机温升求解方法以及现有算法所进行的轻载、额定负载以及过载的瞬态温度场计算结果，a)为电机轻载工况下的温升计算结果，b)为电机额定负载工况下的温升计算结果，c)为电机过载工况下的温升计算结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种快速高精度电机温升求解方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：

首先使用温度场有限元计算方法进行电机一种负载工况下的温升计算，由于温度场有限元采用划分网格并进行微分方程组求解的方法进行计算，所以能够准确的获取该工况下损耗所对应的温升计算结果。而本发明的方法基于该工况的温度场有限元计算结果，在保证计算结果几乎相同的情况下，将计算过程由复杂的多个网格内的微分方程联立，简化为计算简单的传递函数，从而实现温升的准确快速的计算。

传递函数为反映输出量与输入量之间关系的一种数学模型，在本发明所涉及的应用场景中，传递函数即为反映温升与损耗之间关系的数学模型，其表现形式为

温升为损耗与传递函数作用的结果，其表现形式为θ₁＝G(s)·P。其中，G(s)为传递函数，a₁、a₂……a_m+1和b₁、b₂……b_n+1为与电机结构参数和材料特性相关的系数(与电机工况无关)，s为拉普拉斯算子，n为极点数量(n≥1)，m为零点数量(m≥0且m≤n)，P为损耗，θ₁为使用传递函数计算的温升。以损耗P作为输入量，以温度场有限元的温升计算结果θ₀作为输出量，设定极点数量n初始值为1，零点数量m初始值为0，进行a₁、a₂……a_m+1和b₁、b₂……b_n+1等系数的确定，从而进行传递函数G(s)的构造。

若通过传递函数G(s)与损耗所计算的温升θ₁，与有限元计算的温升θ₀之间的误差满足规定范围δ，则完成了传递函数G(s)的构造；若误差不满足规定范围δ，则修改极点数量n和零点数量m(若m小于n，则保持n不变，m增加1，进行下一次迭代计算；若m不小于n，则令m＝0，n增加1，进行下一次迭代计算)，重新进行传递函数的构造。通过若干次迭代，直至寻找到适合的极点数量n与零点数量m，使得构造的传递函数G(s)所计算出的温升θ₁与温度场有限元的计算结果θ₀之间的误差满足规定范围δ。计算所得的传递函数G(s)反映了温升与损耗之间的关系，且只与电机结构参数和材料特性相关，而与电机所处工况无关，所以通过该单一工况下所构造的传递函数，即可进行任意工况下电机温升的计算。

综上所述，温度场有限元计算为传统的计算步骤，即通过输入和计算过程获取输出结果，但是其计算过程为求解多个网格的微分方程组，计算耗时过长。本发明则通过输入的损耗和输出的温升进行求解策略的建立，在保证输出几乎不变的情况下，使用求解简单的传递函数替代了复杂的多网格微分方程组联立，保证了计算准确度的同时极大地缩短了计算时间。

实施例：

以一台10极12槽的永磁同步电机为例，分别采用集总参数热路法，温度场有限元法以及本发明的方法进行温升计算，并对其计算误差及计算时间进行分析，具体的数值如表1所示。

经计算，本发明的计算误差仅为0.38℃，计算时间仅需10秒。

表1

	计算误差	计算时间
			集总参数热路法	4.86℃	10秒
温度场有限元法	0.17℃	80分钟
			本发明的方法	0.38℃	10秒

Claims (2)

1.一种快速高精度电机温升求解方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、通过温度场有限元计算方法进行电机轻载工况、电机额定负载工况或电机过载工况下的温升计算，从而获取该工况下的损耗所对应的精确的温升；

步骤二、以损耗P作为输入量，以温度场有限元的温升计算结果θ₀作为输出量，设定传递函数的极点数量n的初始值为1和零点数量m的初始值为0；

步骤三、根据极点数量n、零点数量m、损耗P以及温度场有限元的温升计算结果θ₀，使用参数辨识方法进行a₁、a₂……a_m+1和b₁、b₂……b_n+1的计算，从而完成传递函数G(s)的构造；

步骤四、若通过传递函数G(s)与损耗所计算的温升θ₁，与有限元计算的温升θ₀之间的误差满足规定范围δ，则完成了传递函数G(s)的构造；若误差不满足规定范围δ，则修改极点数量n和零点数量m，若m小于n，则保持n不变，m增加1，重新返回步骤三进行传递函数的构造；若m不小于n，则令m＝0，n增加1，重新返回步骤三进行传递函数的构造；直至寻找到适合的极点数量和n与零点数量m，使得构造的传递函数G(s)所计算出的温升θ₁与温度场有限元的计算结果θ₀之间的误差满足规定范围δ。

2.根据权利要求1所述的快速高精度电机温升求解方法，其特征在于所述传递函数G(s)的计算公式如下：

θ₁＝G(s)·P；

式中，G(s)为传递函数，a₁、a₂……a_m+1和b₁、b₂……b_n+1为与电机结构参数和材料特性相关的系数，s为拉普拉斯算子，n为极点数量，n≥1，m为零点数量，m≥0且m≤n，P为损耗，θ₁为使用传递函数计算的温升。

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