电机的多物理场耦合振动仿真方法与流程

本发明涉及电机，特别涉及一种电机的多物理场耦合振动仿真方法。

背景技术：

1、永磁同步电机在各个工业领域中被广泛采用。电机运行时产生的振动是电机制造、安装工艺以及电磁设计、控制水平的重要评价标准，是衡量电机技术水准的重要指标。因此，在电机的设计过程中，对电机振动噪声的仿真模拟是重要的一环。

2、发明人在实验过程中发现，电机的运行涉及多个物理场，其产生的振动也由各种复杂因素耦合而成：除了电磁场通过电磁力波对电机直接施加电磁激励外，电机的温升通过改变电机内各个部件的电磁性能影响电磁场的分布情况，甚至在温度过高的情况下，永磁体会发生不可逆退磁，直接降低其使用寿命。温度场结合应力场，又可以体现出电机定转子受到热应力以及其它应力时产生的形变，直接改变电磁场分布情况，而电磁场的电磁力波同样需要施加在应力场中来体现出其对电机各种结构产生的振动效果。

3、然而，目前还没有方法能够将三个物理场对电机振动的影响进行结合组成。相比电磁场和应力场，电磁场与温度场之间的各项参数相互影响更加明显，例如上述温升对材料属性的电磁性能的影响，变化的电磁场则会反馈变化的热源损耗至温度场。经过磁热双向耦合校正后的电磁力计算会提高电机振动情况计算的准确度。除此之外，热应力形变通过应力场直接改变电磁场中各项材料的空间分布，也会影响仿真精度。因此，如何针对电机提供一种能够结合各方面影响因素、准确度更高的多物理场耦合振动方法，是一技术难题。

4、需要说明的是，公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、为解决现有技术的难题，本发明提供一种计入磁热双向耦合影响的电机磁固热三场耦合振动噪声仿真模拟的计算方法，对材料属性以及电机运行损耗、温升的迭代，可以准确得到电机在特定环境温度下稳定运行时的温度场。本发明考虑了温升对电磁材料属性以及定转子热应力形变的影响，迭代计算温度场以及应力形变量收敛速度快，迭代反馈后对电磁力以及电机振动响应计算精度高，能够精准反应电机在长时间运行下的温度场以及振动情况。

2、本发明的一实施例提供一种电机的多物理场耦合振动仿真方法，其包括下列步骤：基于电磁场获取电机在运行过程中的热源损耗；结合材料导热系数以及气隙等效导热系数，获取电机中的导热边界条件；根据电机的内部与外部的流体流动状态以及温度条件，获取电机的对流边界条件；基于电机的热源损耗、导热边界条件及对流边界条件，获取稳态温度场；将稳态温度场中的稳态温度分布反馈至电磁场，获取定子磁密、绕组磁密、永磁体变化以及气隙磁密，完成磁热双向耦合；将经过磁热双向耦合后的温度场带入应力场，结合材料刚度参数，获取电机的热应力形变分布；根据热应力形变分布对电磁场进行重构，对温度修正以及节点分布重构的电磁场进行计算以获取校正后的电磁损耗，重新进行磁热双向耦合计算并将温度分布再次带入应力场，通过磁固热迭代计算获取电机稳态情况下的热应力形变分布；根据磁固热耦合结果，重新对电磁场进行计算，最终获取校正后的电磁激励力。

3、在一些实施例中，热源损耗包括绕组损耗、铁心损耗、附加损耗和机械损耗；

4、绕组损耗包括绕组基本损耗和绕组附加损耗，绕组基本损耗的公式如下：

5、pcu＝mi2r

6、

7、其中，pcu为电机铜耗，m为电机绕组相数，i为输入电流有效值，r为每相绕组平均电阻值，i为输入电流瞬时值；t为机械周期时间；

8、绕组附加损耗的公式如下：

9、

10、其中，j为电流密度，γ为电导率，v为导体体积m3；

11、铁心损耗的公式如下：

12、pfe＝pec+ph＝2σvrms2+ζvav2f1-x

13、其中，pfe为铁心损耗，ph为磁滞损耗，pec为涡流损耗，σ为铁心磁导率，vrms为相电压的有效值，ζ为磁滞损耗系数，vav为相电压的整流平均值，f为电流交变频率：

14、附加损耗的公式如下：

15、pad～iw2f1.5

16、其中，pad为电机附加损耗，iw为绕组电流，f为电流交变频率；

17、机械损耗的公式如下：

18、pf＝acfρ0πωm3r4l

19、其中，a为转子及永磁体的表面粗糙度，cf为摩擦系数，ρ0为周围气体的密度，ωm为转子旋转的角速度，r为转子半径，l为转子的轴向长度；

20、在一些实施例中，导热边界条件包括气隙等效导热和绕组绝缘层导热；

21、气隙等效导热的公式如下：

22、

23、其中，αeff为等效传导传热系数，λair为空气的导热系数，ro为转子外径，ri为定子内径，reefd和recr分别为气隙的雷诺数和临界雷诺数；

24、绕组绝缘层导热的公式如下：

25、

26、

27、

28、其中，ρi为各个绝缘材料的密度，ci为比热容，λi为导热系数，vi为各种绝缘材料的体积，δi为等效宽度。

29、在一些实施例中，对流边界条件包括机壳散热、定子端面散热、转子端面散热、电机气隙散热和转子通风沟散热；

30、机壳散热的公式如下：

31、

32、其中，t0为机壳外侧的空气温度；

33、定子端面散热的公式如下：

34、

35、其中，v为转子表面的旋转线速度；

36、转子端面散热的公式如下：

37、

38、电机气隙散热的公式如下：

39、

40、其中，nu为努赛特数，re为雷诺数，w为转子的圆周速度，δ为气隙长度，μ为空气的运动粘度，λ为空气的热传导系数，h为气隙表面的对流换热系数；

41、转子通风沟散热的公式如下：

42、

43、

44、其中，αs为轴向散热系数，αr为径向散热系数，l为轴向通风沟长度，r为轴向通风沟的水力半径，w为轴向通风沟内的风速。

45、在一些实施例中，稳态温度场的公式如下：

46、

47、其中，为热流密度，λx、λy、λz分别为材料在x、y、z三个方向的导热系数，在不考虑材料各向异性的情况下，有λx＝λy＝λz＝λ，t为材料温度，分别为x、y、z三个方向的单位向量。

48、采用第三类传热边界条件，物体表面周围流体温度及物体表面与周围材料的导热系数：

49、

50、其中，h为材料表面对流换热系数，tw为物体表面温度，tf为周围流体温度；

51、得到电机的温度分布。

52、在一些实施例中，定子磁密的公式如下：

53、

54、其中，bfe为定子磁密，μfe为定子的磁导率；

55、绕组磁密的公式如下：

56、

57、其中，bcu为绕组磁密，σcu为绕组电导率；

58、永磁体变化的公式如下：

59、

60、其中，bpm为转子及永磁体磁密，μpm为永磁体磁导率，σpm为绕组及永磁体电导率；

61、气隙磁密的公式如下：

62、bgn＝bg(bfen,bcun,bpmn)

63、得到校正后的热源损耗，再次带入温度场进行迭代计算，比较前后两次温度场的误差，若误差大于预设范围则再次进行磁热双向耦合，若误差小于预设范围，则停止迭代，完成磁热双向耦合。

64、在一些实施例中，热应力形变的公式如下：

65、

66、

67、其中，εx、εy、εz分别为微元体在x、y、z方向上的应变，u、v、w分别为微元体沿着坐标轴x、y、z方向上的位移，σx、σy、σz分别为微元体在x、y、z方向上的正应力，e为各部件材料杨氏模量，μ为泊松比，α为线性膨胀系数，g为剪切模量，t为温度变化，γxy、γyz、γzx为该微元体在对应面上的剪应变。

68、在一些实施例中，根据热应力形变分布对电磁场进行重构如下：

69、定子区域形变及重构电磁场磁密的结果为：

70、

71、其中，ωst为定子部分节点分布矩阵，ustth为定子节点热应变位移矢量矩阵，bfe为定子节点磁密矩阵，t为温度矩阵；

72、转子区域形变及重构电磁场磁密的结果为：

73、

74、其中，ωro为转子部分节点分布矩阵，uroth为转子及永磁体节点热应变位移矢量矩阵，bpm为转子及永磁体节点磁密矩阵；

75、气隙区域形变及重构电磁场磁密的结果为：

76、

77、其中，ωg为气隙部分节点分布矩阵，bg为气隙节点磁密矩阵。

78、综上所述，本发明一实施例提供的一种电机的多物理场耦合振动仿真方法，对材料属性以及电机运行损耗、温升的迭代，可以准确得到电机在特定环境温度下稳定运行时的温度场；并且考虑了温升对电磁材料属性以及定转子热应力形变的影响，迭代计算温度场以及应力形变量收敛速度快，迭代反馈后对电磁力以及电机振动响应计算精度高，能够精准反应电机在长时间运行下的温度场以及振动情况。

79、本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地特征和有益效果可以从说明书中显而易见地的得出，或者是通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书等内容中所特别指出的结构来实现和获得。