一种基于多场耦合的电机温度场数据处理方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于多场耦合的电机温度场数据处理方法，包括：1)建立二维电磁场模型和三维流体场模型；2)对于二维电磁场模型，计算得到电机的电磁场分布，并计算定子线圈铜损耗、转子导条铜损耗以及定转子铁心损耗；3)对于三维流体场模型，选取计算区域简化三维流体场模型，得到电机的流体场分布；4)计算电机表面的散热系数；5)将电机运行时的各项损耗值作为热源加载到三维流体场模型中，根据散热系数得出各类边界条件，采用有限体积法得到电机的温度场分布。与现有技术相比，本发明既考虑了电磁场对温度场的影响，同时耦合了流体场和温度场，考虑更加全面，使电机温度场的计算具有更高的精度和分析效率。
【专利说明】一种基于多场耦合的电机温度场数据处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及仿真计算领域，尤其是涉及一种基于多场耦合的电机温度场数据处理 方法。
【背景技术】
[0002] 电机是将电能从最初的能源形式转换过来的重要桥梁，是将大部分电能转换为机 械能的装置。异步电机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠，以及重量较轻、成 本较低等优点。异步电机具有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接 近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。随着电机制造业的发展，冷却方 式、材料及工艺的改进，电动机的单机容量在不断增大，电机电磁负荷和热负荷也随之提 高，电机运行时产生的单位体积损耗不断增长，使得电机发热严重，这将直接影响到电机的 使用寿命和运行可靠性。大型异步电机由于结构复杂，造价高昂，出现故障后通常都会造成 巨大的经济损失。
[0003] 对电机的热问题的研究也一直是电机研究中的一个重要方面，热问题直接影响电 机的使用寿命和运行的可靠性，例如，当定子绕组发生短路故障时，数值很大的短路电流会 产生过热，烧毁绕组和铁心。对于大多数异常工况而言，对电机安全最终构成威胁的主要因 素是过热，这是由以下两方面决定的：首先，温升是影响绝缘寿命的重要因素，而大型电机 局部区域和部件的温度可能达到很高的水平。其次，由于电机内金属材料的强度和硬度随 温度的升高而下降，在温度过高或温度不太高但持续时间长时都会造成金属强度的下降， 从而影响到电机的安全运行。而大型电机由于单机容量大，电机负荷也随之提高，电机运行 时产生的单位体积损耗更大，使得大型电机发热现象更加严重。因此，准确地计算和研究大 型异步电机温升是制造和运行部门共同关心的问题。
[0004] 传统的电机温升计算方法有简化公式法，等效热路法。简化公式法是假定全部铁 心损耗及铜耗只通过定子（或转子）圆柱形冷却表面散出，电枢绕组铜的有效部分和接触 部分之间没有热交换。这个方法优点是计算简单，缺点是不够精确，不够完整，只能近似计 算出电机的平均温升。等效热路法是根据传热学和电路理论来形成等效热路，热路图中的 热源为绕组的铜损耗，铁损耗，损耗热量通过各种相应的热阻，由热源向冷却介质传递，形 成一个复杂的热网络。采用电路网络中的一些定理和方法来计算电机各有效部分的平均温 升。此方法计算精度比简化公式高，能得到电机总体温升和平均温升。但也有不能计算局 部温升和工作量大的缺点。而运用现代数值方法的温度场法是最近兴起的温升计算方法， 也就是将求解区域离散成许多小单元，在每个单元中建立热传导方程，再对总体方程组进 行求解。温度场法将研究对象从宏观转为微观，从总体转到局部单元，求得每一点的温度和 温升。
[0005] 目前对电机的温度场计算方法中还主要限于单独对电机定子温度场或转子温度 场求解，而对电机定、转子温度场联立求解的研究工作还较少。有些模型只考虑定子温度 场，有些模型只考虑转子温度场，这样就忽略了定转子之间空气隙的热传导作用。另外，温 度场与流体场和电磁场关系密切，现在一些研究主要针对流体场和温度场的耦合，电磁场 和温度场的耦合，没有对电机多场进行综合考虑的研究。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于多场耦合 的电机温度场数据处理方法。
[0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于多场耦合的电机温度场数 据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0008] 1)使用有限兀软件建立电机物理模型，包括根据电磁场理论建立二维电磁场模型 和根据流体力学理论建立三维流体场模型；
[0009] 2)对于二维电磁场模型，利用有限元方法建立求解域内的场路耦合有限元方程， 计算得到电机的电磁场分布，包括磁通密度分布和电流分布，并计算定子线圈铜损耗、转子 导条铜损耗以及定转子铁心损耗；
[0010] 3)对于三维流体场模型，选取计算区域简化三维流体场模型，简化后的模型包括 定转子之间气隙流场与温度场计算物理模型以及定转子铁芯、绕组固体温度场计算物理模 型，将简化后的三维流体场模型导入到有限元软件中进行网格划分，采用有限体积法对计 算区域进行迭代计算，得到电机的流体场分布；
[0011] 4)根据通风系统内的各处风速以及电机定转子结构参数，通过流体力学计算公式 和质量守恒定律计算电机表面的散热系数；
[0012] 5)将步骤2)电磁场分析所得出的电机运行时的各项损耗值作为热源加载到三维 流体场模型中，根据步骤4)计算得到的散热系数得出各类边界条件，采用有限体积法对不 同工况下电机定转子温度场的计算区域进行耦合数值模拟，最后得到电机的温度场分布。
[0013] 步骤1)所述的二维电磁场模型为电机轴向的二维截面。
[0014] 步骤2)所述的计算定子线圈铜损耗Pra的计算公式为 _5] Pcu= Σ Ix2Rx,
[0016] 式中，Ix为定子绕组X中的电流，Rx为换算到基准工作温度时绕组X的电阻，在有 限元软件中进行后处理得到电机定子线圈铜损耗。
[0017] 步骤2)所述的计算转子导条铜损耗P'的计算公式为
[0018] Picu =EIy2Ry,
[0019] 式中，Iy为转子绕组y中的电流，Ry为换算到基准工作温度时绕组y的电阻，在有 限元软件中进行后处理得到电机转子导体铜损耗。
[0020] 步骤2)所述的定转子铁心损耗包括定子铁心基本损耗和定子铁心附加损耗PFep， 所述的定子铁心基本损耗包括辄部铁心基本损耗P Fe；j和齿部铁心基本损耗PFrt。
[0021 ] 所述的计算轭部铁心基本损耗PFej的表达式为PFej=K apFejGj，
[0022] 式中，Gj为轭部铁心净用铁量；Ka为经验系数，对于交流电机，当容量PN〈100kVA 时，Ka =1.5,当容量Pn彡IOOkVA时，Ka =1.3,对于直流电机，Ka =3.6 ;比损耗pFej的计算公 式为
【权利要求】
1. 一种基于多场耦合的电机温度场数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 使用有限元软件建立电机物理模型，包括根据电磁场理论建立二维电磁场模型和根 据流体力学理论建立三维流体场模型； 2) 对于二维电磁场模型，利用有限元方法建立求解域内的场路耦合有限元方程，计算 得到电机的电磁场分布，包括磁通密度分布和电流分布，并计算定子线圈铜损耗、转子导条 铜损耗以及定转子铁心损耗； 3) 对于三维流体场模型，选取计算区域简化三维流体场模型，简化后的模型包括定转 子之间气隙流场与温度场计算物理模型以及定转子铁芯、绕组固体温度场计算物理模型， 将简化后的三维流体场模型导入到有限元软件中进行网格划分，采用有限体积法对计算区 域进行迭代计算，得到电机的流体场分布； 4) 根据通风系统内的各处风速以及电机定转子结构参数，通过流体力学计算公式和质 量守恒定律计算电机表面的散热系数； 5) 将步骤2)电磁场分析所得出的电机运行时的各项损耗值作为热源加载到三维流体 场模型中，根据步骤4)计算得到的散热系数得出各类边界条件，采用有限体积法对不同工 况下电机定转子温度场的计算区域进行耦合数值模拟，最后得到电机的温度场分布。
2. 根据权利要求1所述的一种基于多场耦合的电机温度场数据处理方法，其特征在 于，步骤1)所述的二维电磁场模型为电机轴向的二维截面。
3. 根据权利要求1所述的一种基于多场耦合的电机温度场数据处理方法，其特征在 于，步骤2)所述的计算定子线圈铜损耗Pra的计算公式为
式中，Ix为定于绕组X中的电流，Rx为换算到基准工作温度时绕组X的电阻，在有限元 软件中进行后处理得到电机定子线圈铜损耗。
4. 根据权利要求1所述的一种基于多场耦合的电机温度场数据处理方法，其特征在 于，步骤2)所述的计算转子导条铜损耗的计算公式为
式中，Iy为转子绕组y中的电流，Ry为换算到基准工作温度时绕组y的电阻，在有限元 软件中进行后处理得到电机转子导体铜损耗。
5. 根据权利要求1所述的一种基于多场耦合的电机温度场数据处理方法，其特征在 于，步骤2)所述的定转子铁心损耗包括定子铁心基本损耗和定子铁心附加损耗PFep，所述 的定子铁心基本损耗包括辄部铁心基本损耗PFe；j和齿部铁心基本损耗PFrt。
6. 根据权利要求5所述的一种基于多场稱合的电机温度场数据处理方法，其特征在 于，所述的计算轭部铁心基本损耗Pw的表达式为P_=KaPwGp式中，为轭部铁心净用铁 量；Κα为经验系数，对于交流电机，当容量Pn <IOOkVA时，Ka =1.5,当容量PN>IOOkVA时， Ka=L3,对于直流电机，Κα=3. 6 ;比损耗pFej的计算公式为
式中，Bj为轭中最大磁通密度值，P1Q/5Q为当B=1T，F=50Hz时，单位重量内的硅钢片损 耗； 所述的计算齿部铁心基本损耗PFet的表达式为PFrt=KepFrtGt，式中，Gt为齿部铁心净用 铁量；Ke为经验系数，对于异步电机，当容量Pn <IOOkVA时，Ke =2.0,当容量Pn彡IOOkVA 时，Ke=L7,对于直流电机，Ke=4. 0;比损耗pFrt的计算公式为
式中，Bt为齿部磁通密度的平均值。
7. 根据权利要求5所述的一种基于多场耦合的电机温度场数据处理方法，其特征在 于，所述的计算定子铁心附加损耗PFep的经验公式为 Pf印=K0(B0t)2 (zn) 15Ap, 式中，Ktl为与磁极所用材料有关的系数，Btl为齿谐波磁通密度最大值，t为电枢齿距，z为齿数，η为磁极转速,Ap为磁极面积。
8. 根据权利要求1所述的一种基于多场耦合的电机温度场数据处理方法，其特征在 于，步骤3)所述的选取计算区域具体方法为在电机定转子周向上选取定转子的十二分之 一作为计算区域。
9. 根据权利要求1所述的一种基于多场耦合的电机温度场数据处理方法，其特征在 于，步骤4)所述的电机表面的散热系数具体包括： a) 电机径向通风沟内轭部散热系数ae， CT, = 16(1 + 】.4^)，式中，为径向通风沟内轭部的平均风速； b)电机径向通风沟内齿部散热系数a。， % = 16(1+ 1.4^)，式中，V。为径向通风沟内齿部的平均风速； c) 通风沟内绝缘侧的散热系数ab， ab =^^·χ104,式中，vb为通风沟内绝缘侧的风速； 450 d) 气隙表面的对流系数a8， αδ=28(1+ωs°_5)，式中，ωs 为平均风速，ωs=v/2， v为转子圆周速度，V= ，其中nN为电机转速，D2为转子外圆直径； 60 e) 定子铁心外圆和转子铁心内圆的散热系数aw， λ ，式中，Dh为当量直径，λ为气体导热系数，Nu为努谢尔特数， 努谢尔特数Nu用下式计算：
式中，已为普朗特数，&为雷诺数。
10. 根据权利要求1所述的一种基于多场耦合的电机温度场数据处理方法，其特征在 于，所述的电机是大型鼠笼型异步电动机。
【文档编号】G06F17/50GK104462624SQ201310422756
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】马淑梅, 刘雪梅, 李爱平, 宋守泰, 谢楠, 徐立云, 陈杨杨, 倪泽浩 申请人:同济大学