一种兆瓦级高速永磁电机温升计算方法

1.本发明涉及电机温度场计算领域，具体为一种兆瓦级高速永磁电机温升计算方法，具体涉及一种基于计算流体力学法与热网络法结合的兆瓦级高速永磁电机温升计算方法。


背景技术：

2.高速永磁电机由于其转速高，体积小，功率密度大等特点，在工业领域得到了越来越广泛的应用。兆瓦级高速永磁电机输出功率更大，功率密度更高，相比于同等体积高速永磁电机，有效的提高了电机材料利用率，降低了生产成本，但同时也带来了损耗大、温升高等问题，以及因散热面积小而造成的散热困难。永磁体的温升过高会引起永磁体的退磁，增大电机的损耗，缩短电机使用寿命等问题，制约着高速永磁电机的发展。随着国民经济的快速增长，人们对电能的需求量也日益增加，高速永磁电机对热性能的要求越来越高，电机的热性能分析，是保证电机高可靠性的前提。
3.电机内温升计算方法主要有两种：计算流体力学法和集总参数热网络法。计算流体力学法对目标电机进行物理建模，并对电机内热传导以及热对流现象进行精确模拟，通过计算可得到电机内各点的具体温升分布情况，实现电机传热现象仿真，但是，由于该方法计算时间较长，难以实现电机参数化快速建模。集总参数热网络法是将电机热网络等效为传统电网络，温升对应电压、功率对应电流、热阻则对应电阻，相对于计算流体力学法，计算速度更快，但传统热网络法往往采用流速经验值计算对流热阻，计算精度很大程度上取决于参数的选取。上述方法均无法同时兼顾计算速度与精度，难以满足实际需求。


技术实现要素：

4.克服计算流体力学法计算速度缓慢的缺点和集总参数热网络法利用经验值选取传热系数导致的计算精度缺陷。提供一种既提高计算速度，又能保障计算结果精度的兆瓦级高速永磁电机温升计算方法，实现流体场与温度场的耦合计算。
5.为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
6.一种兆瓦级高速永磁电机温升计算方法一种兆瓦级高速永磁电机温升计算方法，其特征在于，包含以下步骤：
7.步骤1：建立电机求解域物理模型；
8.根据电机结构，选取合适求解域并进行合理简化；
9.步骤2：网格划分和边界设置；
10.设置合适的尺寸条件，划分网格，采用有限体积法求解，根据模型结构设置对应的边界条件，包括入口和出口；
11.步骤3：流体场计算；
12.检查网格质量，基于边界条件，利用计算流体力学软件模拟电机内流体流动属性，根据流场数据计算得到各流体域平均流速；
13.步骤4：建立热路模型；
14.利用t形等效法构建目标电机热网络模型，其中t1、t2分别为空心圆柱体外壁面与内壁面平均温升，ta、tb分别为空心圆柱体左右两侧端面的平均温升，p为该空心圆柱体所产生的损耗，r
1a
、r
2a
为轴向传导热阻，r
3a
为轴向附加阻抗，r
1r
、r
2r
为径向传导热阻，r
3r
为径向附加阻抗，假设圆柱体轴径向传热相互独立，其轴径向传导热阻计算公式为：
[0015][0016][0017][0018][0019][0020]
由于电机结构的对称性，轴向传导热阻r
1a
、r
2a
相等；
[0021]
将电机内部各部分流体温升均表示成了损耗与空气热阻乘积的形式，体现了各部分冷却介质温升与能量间的关系，作为电机温升计算的重要边界条件，写成矩阵形式为：
[0022][0023]
其中共包含8个热源、7个受控源，以机壳外部空气温升为0势能面；
[0024]
步骤5：计算热阻参数；
[0025]
按照能量传递形式的不同进行分类，分为传导散热、对流散热以及辐射散热，高速永磁电机各结构件温升梯度较小，辐射传热相对于其他传热途径忽略不计，因此只需考虑
传导热阻与对流热阻；
[0026]
电机的热传导是指电机内各结构体间不产生相对位移时，能量的传递形式，电机内各结构体间的热传导均遵循傅里叶导热定律：
[0027][0028]
式中：φ为热流量；λ为导热系数；a为导热面截面面积；t为节点温升；n为温升梯度方向；q为沿n方向的热流密度；负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反；
[0029]
电机内定转子铁心、永磁体、转子护套等效为空心圆柱形结构，其内外壁面间的径向传导热阻计算公式为：
[0030][0031]
式中：r1，r2分别为空心圆柱体的内外壁面半径；l为空心圆柱体轴向长度；
[0032]
根据电机的轴径向混合通风结构，对流散热系数包含定转子端部散热系数，气隙处散热系数，机壳散热系数，定转子轴向风道内散热系数和定子径向风道散热系数；
[0033]
冷却介质由入风口进入电机端部气腔，与定转子端部发生对流换热现象，属于强制对流换热，换流系数计算公式为：
[0034]
h＝15.5(0.39v1+1)
[0035]
式中：v1为定转子端部冷却介质流速。
[0036]
气隙散热系数，转子轴向风道散热系数的计算取决于努塞尔数，对流散热系数计算公式为：
[0037][0038]
式中：nu为努塞尔数；k为空气的热导率；δ为气隙径向长度；
[0039]
机壳采用自然对流散热冷却方式，对流散热系数计算公式为：
[0040][0041]
式中：v3为机壳外空气流速；
[0042]
在已知固体表面散热系数的情况下，轴径向混合通风冷却方式的对流散热系数可由上述定转子端部散热系数计算公式得出：
[0043][0044]
式中：a为固体表面与冷却介质间的接触面积；
[0045]
步骤6：热网络计算；
[0046]
通过搭建电机热网络模型，电机热网络模型计算过程类似电网络求解，联立附加的边界条件方程组：
[0047][0048]
式中：pc为各结构件流入冷却介质的能量。由上述可知各节点温升tc可由pc节点温
升与空气间热阻得出：
[0049]
tc＝rpc[0050]
网络中各节点的温升列向量：
[0051][0052]
根据热路图中的热阻，计算出电机定转子各部分的平均温度。
[0053]
进一步的，步骤1中建立电机求解域物理模型，具体如下：
[0054]
在电机结构对称时，采用部分结构域进行求解，忽略基座要和底盘以及其他非电机本体部分，将多匝绕组等效成单匝线圈。
[0055]
进一步的，步骤2、3中流场计算，具体如下：
[0056]
采用有限体积法，根据模型设置合适尺寸划分网格，基于边界条件，计算各部件流场数据，根据流场数据计算平均流速。
[0057]
进一步的，步骤4、5、6中热网络温升计算，具体如下：
[0058]
根据步骤3得到的平均流速，计算各区域热阻，搭建热网络模型，根据热网络模型计算得到电机内部温升分布。
[0059]
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)将集总参数热网络法应用到兆瓦级高速永磁电机的温升计算中，可以有效分析该类电机的热性能，为电机的设计提供指导。(2)将计算流体力学法和集总参数热网络法结合，利用计算流体力学法得到电机的流体场数据，以平均流速计算各区域传热系数，避免了复杂流场下传统集总参数热网络法选取经验值带来的精度缺陷。该方法同时具备计算流体力学法的精度优势和热网络法的速度优势。
附图说明
[0060]
图1为本发明的逻辑结构示意图；
[0061]
图2为本发明实例的电机定转子结构；(a)为定子结构；(b)为转子结构。
[0062]
图3为本发明实例的空气域流速；
[0063]
图4为t形等效法示意图；(a)为空心圆柱体物理模型；(b)为空心圆柱体t形等效热路；
[0064]
图5为本发明实例的电机热网络模型。
具体实施方式
[0065]
下面结合实施例和附图对本发明提出的一种适用于兆瓦级高速永磁电机的温升计算方法做出详细说明。包括以下步骤：
[0066]
步骤1：建立电机求解域物理模型：
[0067]
以一台1mw表贴式高速永磁电机为例，电机的尺寸参数如表1所示，定转子结构如图2所示，定子铁心采用硅钢片叠压结构。绕组采用双层结构，由绝缘材料包裹嵌在定子槽内。永磁体为表贴式结构，材料采用ndfeb35eh，采用碳纤维护套与永磁体过盈配合固定永磁体。
[0068]
考虑到本例电机结构的对称性，搭建电机十二分之一结构域对电机流体场及温度
场进行耦合求解，圆周方向采用1/12电机单元、轴向上取电机整域作为基本求解域，左右机壳表面分别有出风口与入风口。
[0069]
表1 1mw高速永磁电机尺寸参数
[0070][0071]
步骤2：网格划分和边界设置：
[0072]
对模型采用合适尺寸划分多面体网格，采用有限体积法求解。由于电机高速旋转，流体流动时的雷诺数很大(re＞2300)，故采用k-ε湍流模型对电机内的流场进行求解；在电机内流动过程中，流体流速远小于声速，故把流体作为不可压缩流体处理。忽略流体的物理特性对温度的非线性变化。采用速度入口边界条件，入口流量为1.5m3/s，根据入口面积可计算出入口流速为2.82m/s。出口设置为压力出口，压力值为一个标准大气压；由于电机旋转作用，气隙下层壁面设置为旋转壁面，转速为10000rpm。
[0073]
步骤3：流体场计算：
[0074]
检查网格质量合格后，基于上述边界条件，利用计算流体力学软件模拟电机内流体流动属性，结合图3所示的空气域流体场，由于气隙与转子轴向风道入口狭长且截面积较小，冷却介质由右侧气腔流入气隙时，流体流通路径流阻变大，冷却空气进入该通风道的量值明显，流速迅速增大，流速最高点出现在气隙入口处，考虑到风道壁面摩擦，冷却介质在气隙内沿轴向流动过程中存在能量损耗，导致气隙内流量减小，风速沿着流动位置逐渐降低。利用流场数据计算得到各流体域平均流速。
[0075]
步骤4：建立热路模型：
[0076]
结合图4，利用t形等效法构建目标电机热网络模型，该方法适用于空心圆柱体的径向热传导模型。图中t1、t2分别为空心圆柱体外壁面与内壁面平均温升，ta、tb分别为空心圆柱体左右两侧端面的平均温升，p为该空心圆柱体所产生的损耗，r
1a
、r
2a
为轴向传导热阻，r
3a
为轴向附加阻抗，r
1r
、r
2r
为径向传导热阻，r
3r
为径向附加阻抗，假设圆柱体轴径向传热相互独立，其轴径向传导热阻计算公式为：
[0077][0078][0079]
[0080][0081][0082]
由于电机结构的对称性，轴向传导热阻r
1a
、r
2a
相等。
[0083]
将电机内部各部分流体温升均表示成了损耗与空气热阻乘积的形式，体现了各部分冷却介质温升与能量间的关系，作为电机温升计算的重要边界条件。写成矩阵形式为：
[0084][0085]
建立电机全域热网络模型如图5所示，其中共包含8个热源、7个受控源，以机壳外部空气温升为0势能面。
[0086]
步骤5：计算热阻参数：
[0087]
按照能量传递形式的不同进行分类，可以分为传导散热、对流散热以及辐射散热，高速永磁电机各结构件温升梯度较小，辐射传热相对于其他传热途径可忽略不计，因此只需考虑传导热阻与对流热阻。
[0088]
电机的热传导是指电机内各结构体间不产生相对位移时，能量的传递形式，电机内各结构体间的热传导均遵循傅里叶导热定律：
[0089][0090]
式中：φ为热流量；λ为导热系数；a为导热面截面面积；t为节点温升；n为温升梯度方向；q为沿n方向的热流密度；负号表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。
[0091]
电机内定转子铁心、永磁体、转子护套等结构件可等效为空心圆柱形结构，其内外壁面间的径向传导热阻计算公式为：
[0092][0093]
式中：r1，r2分别为空心圆柱体的内外壁面半径；l为空心圆柱体轴向长度。
[0094]
根据电机的轴径向混合通风结构，对流散热系数包含定转子端部散热系数，气隙处散热系数，机壳散热系数，定转子轴向风道内散热系数和定子径向风道散热系数冷却介质由入风口进入电机端部气腔，与定转子端部发生对流换热现象，属于强制对流换热，换流系数计算公式为：
[0095]
h＝15.5(0.39v1+1)
[0096]
式中：v1为定转子端部冷却介质流速。
[0097]
气隙散热系数，转子轴向风道散热系数的计算取决于努塞尔数，对流散热系数计算公式为：
[0098][0099]
式中：nu为努塞尔数；k为空气的热导率；δ为气隙径向长度。
[0100]
机壳采用自然对流散热冷却方式，对流散热系数计算公式为：
[0101][0102]
式中：v3为机壳外空气流速。
[0103]
在已知固体表面散热系数的情况下，轴径向混合通风冷却方式的对流散热系数仍可由上述定转子端部散热系数计算公式得出：
[0104][0105]
式中：a为固体表面与冷却介质间的接触面积。
[0106]
步骤6：热网络计算，
[0107]
电机热网络模型计算过程类似电网络求解。联立附加的边界条件方程组：
[0108][0109]
式中：pc为各结构件流入冷却介质的能量。由上述可知各节点温升tc可由pc节点温升与空气间热阻得出：
[0110]
tc＝rpc[0111]
网络中各节点的温升列向量：
[0112][0113]
根据热路图中的热阻，计算出电机定转子各部分的平均温度如表2所示。
[0114]
表2 1mw高速永磁电机温升计算结果
[0115][0116]
综上所述，本发明的计算方法利用计算流体力学法获得电机各部件流场平均流速，替代经验值进行热网络法的热阻计算，建立热网络模型进行电机热分析。同时兼顾了温升计算的精度和计算时间。在兆瓦级高速永磁电机的设计中有较好的应用价值。
[0117]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。