CN116720384A - 一种永磁同步电机温度场分析方法、存储介质和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种永磁同步电机温度场分析方法，包括如下步骤：S1、对永磁同步电机三维模型进行简化处理，建立永磁同步电机的计算域并进行网格划分，分别生成固体域和流体域的网格模型；S2、设置永磁同步电机的各部件的运动规律；S3、在仿真软件中设置永磁同步电机的各部件的边界条件以及固体域和流体域的物理模型；S4、对施加边界条件后的永磁同步电机的模型进行初始化，设置仿真计算的物理时间与步长形成计算模型，进行迭代计算并输出仿真报告。根据仿真报告判断永磁同步电机的温度场是否满足预设要求。本发明能够快速有效得到永磁同步电机的温度场结果。因而能缩短电机研发周期、提升研发效率和降低研发成本。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种永磁同步电机温度场分析方法、存储介质和设备。
背景技术
电机是一种实现机电能量转换的电磁装置，其中，永磁同步电机因具有功率密度高、转矩密度大、调速范围广等优点，成为电动汽车驱动电机的较好选择。其性能直接决定了新能源汽车的最高车速、加速性能、爬坡性能，同时也能一定程度上影响整车能耗和续航里程。随着汽车技术的不断发展，永磁同步电机需要更高的功率密度及更大的启动转矩，这些性能的提高将不可避免地要伴随能量的损耗。这些损耗大部分都以热量的形式散失到电机内部使其温度升高，进而会导致轴承老化加速、永磁体永久退磁和绝缘材料破坏。最终导致电机故障，电机效率降低、运行的经济性变差以及使用寿命缩短。因此为维持电机的合理寿命，需要用冷却液将电机中的热量散发出去，保证在额定运行状态下，其各部分温度不超过标准限值。
所以，对电机温度场进行分析，选择合理的电机结构设计方案，对提高电机的效率及增加可靠性和寿命都具有重要的意义。但是，现阶段对于电机温度场的分析评估，大多都是基于设计-试验-修改这样反复的模式，试验阶段周期长和成本高，大大影响电机的研发效率。
因此，有必要提供一种永磁同步电机温度场分析方法，能够快速有效模拟温度场试验分析。因而能缩短电机研发周期、提升研发效率和降低研发成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种永磁同步电机温度场分析方法、存储介质和设备，其能够快速有效模拟并分析永磁同步电机温度场。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种永磁同步电机温度场分析方法，其包括如下步骤：
S1、对永磁同步电机三维模型进行简化处理，建立永磁同步电机的计算域并进行网格划分，分别生成固体域和流体域的网格模型；
S2、基于永磁同步电机的各部件运动状态，利用CFD仿真分析软件并采用多重参考系模型，设置永磁同步电机的各部件的运动规律；
S3、根据永磁同步电机的运行工况和预设冷却方案，在CFD仿真分析软件中设置永磁同步电机的各部件的边界条件，所述边界条件包括材料属性、物理模型及参数；
S4、利用CFD仿真分析软件对施加边界条件后的永磁同步电机模型进行初始化，设置仿真计算的物理时间与步长，进行迭代计算形成计算模型并输出仿真报告。
由此，本发明能够快速有效得到永磁同步电机的温度场结果，因而不需要再通过反复实测来评估电机的结构设计是否合理。所以能够缩短电机研发周期、提升研发效率和降低研发成本。
进一步，S1具体过程为：把简化处理后的永磁同步电机三维模型导入ANSA软件或者Hypermesh软件中进行网格划分。
进一步，所述固体域由永磁同步电机的转子、定子、绕组和壳体构成；所述流体域由永磁同步电机内的冷却液、冷却液流体域入口及冷却液流体域出口构成。
进一步，S2具体过程为：
S21、将永磁同步电机的转子设置为运动区域，转子运动形式设置为旋转运动；
S22、将永磁同步电机内的定子、绕组、壳体以及冷却液设置为静止区域。
进一步，S3具体包括：
S31、基于预设需求，在CFD仿真分析软件中设置永磁同步电机中的转子、定子、绕组及壳体的材料属性；
S32、在CFD仿真分析软件中设置固体域和流体域的物理模型，所述流体域的物理模型采用VOF模型；
S33、基于预设需求，在CFD仿真分析软件中设置永磁同步电机中的转子的转速、定子和绕组的发热量、冷却液入口的流量和温度以及出口压力的边界条件。
进一步，所述材料属性包括密度、冷却液动力粘度、导热率和比热。
进一步，S4中仿真计算的物理时间的确定是根据永磁同步电机运行工况所需时间得到。
进一步，S4中还包括监控计算模型的库朗特数的数值，所述库朗特数的数值预设最大值为10。
进一步，所述S2至S5采用STAR-CCM+软件进行仿真分析。
本发明还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现如上所述的永磁同步电机温度场分析方法。
本发明还提供一种永磁同步电机温度场分析设备，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现如上所述的永磁同步电机温度场分析方法。
本发明提供的一种永磁同步电机温度场分析方法、存储介质和设备，通过对永磁同步电机三维模型进行简化处理。建立永磁同步电机的计算域并进行网格划分，分别生成固体域和流体域的网格模型；然后利用CFD仿真分析软件并采用多重参考系模型，设置永磁同步电机的各部件的运动规律；
并根据永磁同步电机的运行工况和预设冷却方案，在CFD仿真分析软件中设置永磁同步电机的各部件的边界条件；其次，利用CFD仿真分析软件对施加边界条件后的永磁同步电机模型进行初始化，设置仿真计算的物理时间与步长，进行迭代计算形成计算模型并输出仿真报告；最后根据仿真报告判断永磁同步电机的温度场是否满足预设要求，如不满足，优化电机结构再次进行分析，直至满足设计要求。由此，可以有效得到永磁同步电机的温度场结果，不需要再通过反复实测来评估永磁同步电机的结构设计是否合理。因而能缩短电机研发周期，提升研发效率和降低研发成本。
附图说明
图1为本发明的流程框图；
具体实施方式
以下将参照附图和优选实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1所示，本实施例提出了一种永磁同步电机温度场分析方法，包括如下步骤：
S1、对永磁同步电机三维模型进行简化处理，建立永磁同步电机的计算域并进行网格划分，分别生成固体域和流体域的网格模型；
S2、基于永磁同步电机的各部件运动状态，利用CFD仿真分析软件并采用多重参考系模型，设置永磁同步电机的各部件的运动规律；
S3、根据永磁同步电机的运行工况和预设冷却方案，在CFD仿真分析软件中设置永磁同步电机的各部件的边界条件，所述边界条件包括材料属性、物理模型及参数；
S4、利用CFD仿真分析软件对施加边界条件后的永磁同步电机模型进行初始化，设置仿真计算的物理时间与步长，进行迭代计算形成计算模型并输出仿真报告。
最后，根据仿真报告判断永磁同步电机的温度场是否满足预设要求，如不满足，优化电机结构再次进行分析，直至满足设计要求。
其中，仿真计算的物理时间的确定是根据永磁同步电机运行工况所需时间得到。
综上所述，本发明能够快速有效得到永磁同步电机的温度场结果，因而不需要再通过反复实测来评估电机的结构设计是否合理。所以能够缩短电机研发周期、提升研发效率和降低研发成本。
本实施例中，S1具体过程为：把简化处理后的永磁同步电机三维模型导入ANSA软件或者Hypermesh软件中进行网格划分。其中，固体域的网格模型尺寸为5mm，流体域的网格模型尺寸为1.5mm。由于永磁同步电机模型结构较为复杂，细节特征较多。而温度场仿真分析对网格质量的要求较高，因此在保证计算精度的前提下，需要对永磁同步电机几何模型进行一些合理的简化从而尽可能缩小计算的规模。本实施例中，对永磁同步电机整体散热性能影响可以忽略不计的盖板、接线盒及一些小半径倒角等局部特征进行了删除。所以，本实施例只保留永磁同步电机内部的转子、定子、绕组和壳体这些对散热影响较大的主体结构，由上述结构组成固体域。而流体域是由永磁同步电机内的冷却液、冷却液流体域入口及冷却液流体域出口构成。
为了方便后续定义尺寸、边界条件和后处理操作，可以将固体域中的转子、定子、绕组和壳体和流体域中的冷却液、冷却液流体域入口及冷却液流体域出口进行分组命名。
本实施例中，S2具体过程为：
S21、将永磁同步电机的转子设置为运动区域，转子运动形式设置为旋转运动；
S22、将永磁同步电机内的定子、绕组、壳体以及冷却液设置为静止区域。
本实施例中，S3具体过程为：
S31、基于预设需求，在CFD仿真分析软件中设置永磁同步电机中的转子、定子、绕组及壳体的材料属性。其中，材料属性包括密度、冷却液动力粘度、导热率和比热。
S32、在CFD仿真分析软件中设置固体域和流体域的物理模型，流体域的物理模型采用VOF模型。采用VOF模型的原因是由于流体域中含有冷却液和空气两种流体，所以可以采用。另外，还需要在欧拉多相模型节点下创建冷却液和空气两个欧拉相。此处，为本领域技术人员公知常识，不再细说。其中，固体域和流体域的物理模型的建立是根据冷却液流动状态（如湍流、沸腾、定密度） 而设置的。
S33、基于预设需求，在CFD仿真分析软件中设置永磁同步电机中的转子的转速、定子和绕组的发热量、冷却液入口的流量和温度以及出口压力的边界条件。本实施例中，可以视为永磁同步电机中大部分热量由冷却液带走，所以不考虑电机壳体与空气的对流换热及电机辐射换热的影响。
本实施例中，在S4中，还包括监控计算模型的库朗特数的数值，所述库朗特数的数值预设最大值为10。预设最大值为10由常规经验得到。其中，可以通过用户子程序来调整计算模型的时间步长，以保证整个计算过程中库朗特数数值始终小于10。
最后，完成仿真计算后，在永磁同步电机的温度场分布图中，可得到各组件的最高温度值大小、最高温度点位置和整体温度分布情况。根据上述信息可判断电机温度场结果是否满足设计要求，进而判断电机结构方案是否满足设计要求，如不满足，优化电机结构设计方案再次进行分析，直至满足设计要求。
本实施例中，采用STAR-CCM+软件进行仿真分析。对此，不做限定。
综上所述，本发明以计算流体动力学（CFD）模拟永磁同步电机的温度场并进行试验分析。因此本发明不需要反复实测来分析评估温度场，所以可以快速、高效进行产品设计选型，缩短研发周期。进而减低研发成本，提高研发效率。
本实施例还提供一种存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现如上所述的永磁同步电机温度场分析方法。
本实施例还提供一种永磁同步电机温度场分析设备，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现如上所述的永磁同步电机温度场分析方法。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种永磁同步电机温度场分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、对永磁同步电机三维模型进行简化处理，建立永磁同步电机的计算域并进行网格划分，分别生成固体域和流体域的网格模型；
S2、基于永磁同步电机的各部件运动状态，利用CFD仿真分析软件中的多重参考系模型，设置永磁同步电机的各部件的运动规律；
S3、根据永磁同步电机的运行工况和预设冷却方案，在CFD仿真分析软件中设置永磁同步电机的各部件的边界条件以及固体域和流体域的物理模型，所述边界条件包括材料属性及参数；
S4、利用CFD仿真分析软件对施加边界条件后的永磁同步电机的模型进行初始化，设置仿真计算的物理时间与步长形成计算模型，进行迭代计算并输出仿真报告。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机温度场分析方法，其特征在于，S1具体过程为：把简化处理后的永磁同步电机三维模型导入ANSA软件或者Hypermesh软件中进行网格划分。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机温度场分析方法，其特征在于，所述固体域由永磁同步电机的转子、定子、绕组和壳体构成；所述流体域由永磁同步电机内的冷却液、冷却液流体域入口及冷却液流体域出口构成。
4.根据权利要求1所述的永磁同步电机温度场分析方法，其特征在于，S2具体过程为：
S21、将永磁同步电机的转子设置为运动区域，转子运动形式设置为旋转运动；
S22、将永磁同步电机内的定子、绕组、壳体以及冷却液设置为静止区域。
5.根据权利要求1所述的永磁同步电机温度场分析方法，其特征在于，S3具体包括：
S31、基于预设需求，在CFD仿真分析软件中设置永磁同步电机中的转子、定子、绕组以及壳体的材料属性；
S32、在CFD仿真分析软件中设置固体域和流体域的物理模型，所述流体域的物理模型采用VOF模型；
S33、基于预设需求，在CFD仿真分析软件中设置永磁同步电机中的转子的转速、定子和绕组的发热量、冷却液入口的流量和温度以及出口压力的边界条件。
6.根据权利要求5所述的永磁同步电机温度场分析方法，其特征在于，所述材料属性包括密度、冷却液动力粘度、导热率和比热。
7.根据权利要求1所述的永磁同步电机温度场分析方法，其特征在于，S4中仿真计算的物理时间的确定是根据永磁同步电机运行工况所需时间得到。
8.根据权利要求7所述的永磁同步电机温度场分析方法，其特征在于，S4中还包括监控计算模型的库朗特数的数值，所述库朗特数的数值预设最大值为10。
9.根据权利要求1所述的永磁同步电机温度场分析方法，其特征在于，所述S2至S5采用STAR-CCM+软件进行仿真分析。
10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现如权利要求1至9任一项所述的永磁同步电机温度场分析方法。
11.一种永磁同步电机温度场分析设备，其特征在于，所述设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现如权利要求1至9任一项所述的永磁同步电机温度场分析方法。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117332652A (zh) * | 2023-10-13 | 2024-01-02 | 昆明理工大学 | 一种高原地区电动机定子测温元件优化布置的方法 |
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2023
- 2023-07-31 CN CN202310948672.4A patent/CN116720384A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117332652A (zh) * | 2023-10-13 | 2024-01-02 | 昆明理工大学 | 一种高原地区电动机定子测温元件优化布置的方法 |
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