基于三维等效热网络模型的永磁球形电动机温升预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种=维等效热网络方法，具体设及一种基于=维等效热网络模型的 永磁球形电动机温升预测方法。
【背景技术】
[0002] 机械手、机器人等装置多自由度运动的实现需要多台单自由度电机的相互配合， 但是，该样的系统具有体积大、精度低、摩擦大等缺点。为了改善系统的性能，国内外的学者 将研究的重点放到了单轴可W实现多自由度运动的电动机上。其中，永磁球形电动机W体 积小、重量轻、力能指标高、控制简单等优点，成为多自由度电动机研究的热点永磁球 形电动机在工作时主要包含磁极损耗发热和定子线圈铜损耗发热两大热源，生热量大，无 通风冷却系统，其特有的球形半封闭结构使散热情况不理想。较高的温升很可能导致磁极 的不可逆退磁，并加速定子线圈绝缘的老化。该不仅影响了永磁球形电动机的工作精度，还 会降低电机的寿命。所W，为了保证永磁球形电动机稳定和安全的工作，很有必要预测永磁 球形电动机工作时的温度变化情况。
[0003] 目前，计算电机的温升的方法主要为有限元法与等效热网络法等。有限元法通用 性很强，能够对任何复杂结构模型进行准确分析，但是该种方法对模型的建立要求严苛，计 算时间很长b-w。而等效热网络法理论基础简单，易于建模，能够直观地反映电机内部热量 的传递关系，并且计算时间短hwu。
[0004] 上述传统的等效热网络法多采用二维模型，因为对于常规电机而言，它们是轴向 对称的，采用二维等效热网络就可W较好地对整个电机进行温升预测。但是，永磁球形电动 机并不是轴向对称的，仅仅采用二维等效热网络法已经不能正确反映电机的温升情况。
[000引参考文献
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【发明内容】
[0017] 本发明的目的是改进现有技术的上述不足，针对永磁球形电动机的特点，建立符 合其真实空间结构的=维等效热网络模型，并对永磁球形电动机进行温升预测。本方法耗 费时间短、易于操作且具有较高的准确性，对于结构复杂或不能采用二维热网络模型进行 分析的系统具有很强的适用性。为此，本发明采用W下技术方案：
[0018] 一种基于=维等效热网络模型的永磁球形电动机温升预测方法，其特征在于，包 括W下步骤：
[0019] 第一步；热网络模型的建立：
[0020] 永磁球形电动机的转子主体呈球形，采用硬侣制成，转子输出轴和法兰安装在转 子球体上；转子球体上安装有6块按N、S极交替排列的转子磁极；转子磁极由稀±永磁材 料NdFeB加工而成；永磁球形电动机的定子绕组采用铜制漆包线，为集中式绕组，定子绕组 均匀致密地缠绕在定子侣屯、上，呈圆筒状，并通过该侣屯、安装在定子球壳上；定子绕组共有 54个，分为3层，各层分别沿定子球面的一条绅线均匀分布，该=条绅线分别是赤道、北绅 22.5°和南绅22.5° ;由于永磁球形电动机几何对称，选取永磁球形电动机整体的1/18为 研究对象，剩余的17/18与该研究对象的发热情况完全相同，依据永磁球形电动机特殊的 球状结构，建立符合其真实空间结构的=维等效热网络模型，模型包括四部分；单个磁极的 1/3、单个定子绕组、单个定子侣屯、，细化前=部分的节点；
[0021] 第二步；热源的确定及热量的分配：
[002引磁极祸流损耗Pe包括单一损耗P 1与复合损耗P 2两部分，其表达式为PP 1+P2; 磁极磁滞损耗
【主权项】
1. 一种基于三维等效热网络模型的永磁球形电动机温升预测方法，其特征在于，包括 以下步骤： 第一步：热网络模型的建立： 永磁球形电动机的转子主体呈球形，采用硬铝制成，转子输出轴和法兰安装在转子球 体上；转子球体上安装有6块按N、S极交替排列的转子磁极；转子磁极由稀土永磁材料 NdFeB加工而成；永磁球形电动机的定子绕组采用铜制漆包线，为集中式绕组，定子绕组均 匀致密地缠绕在定子铝心上，呈圆筒状，并通过该铝心安装在定子球壳上；定子绕组共有 54个，分为3层，各层分别沿定子球面的一条炜线均匀分布，这三条炜线分别是赤道、北炜 22.5°和南炜22.5° ;由于永磁球形电动机几何对称，选取永磁球形电动机整体的1/18为 研宄对象，剩余的17/18与该研宄对象的发热情况完全相同，依据永磁球形电动机特殊的 球状结构，建立符合其真实空间结构的三维等效热网络模型，模型包括四部分：单个磁极的 1/3、单个定子绕组、单个定子铝心，细化前三部分的节点； 第二步：热源的确定及热量的分配： 磁极涡流损耗Pe包括单一损耗P i与复合损耗P 2两部分，其表达式为Pe= P i+P2;磁极 磁滞损耗
，其中Kh为磁滞损耗系数，D是磁极材料的 密度，f为相电流基波磁动势交变频率，u为定子相电流各次时间谐波次数，B1^ B2,u和B 3，u 为定子相电流u次时间谐波产生的三个磁密分量，V为单个磁极体积的1/3, t为时间变量， T为转子旋转一周所用时间；定子绕组铜损耗
，其中P eu为铜的电阻率，N为 单个定子绕组匝数，1为定子绕组每匝线圈长度的平均值，Ss是定子绕组导线截面积，I u为 定子相电流u次时间谐波幅值；铝损耗包括定子铝损耗PD，即定子铝心损耗Pdi和定子铝壳 损耗P d2，与转子铝心损耗Pz;忽略机械损耗； 将磁极的总发热量P = PJPh分配到磁极中的节点；定子绕组被均匀分为12个节点，将 定子绕组整体的发热量平均分配给这12个热源节点，即每个节点发热量均为P&/12 ;定子 铝心被均匀分成3个节点，将定子铝心整体的发热量平均分配给这3个热源节点，即每个节 点发热量均为PD1/3 ;转子铝心被均匀分为紧挨磁极的上下2个节点，将转子铝心整体的发 热量平均分配给这2个热源节点，即每个节点发热量均为P z/12 ;定子铝壳被均匀分成5个 节点，将定子铝壳整体的发热量平均分配给这5个热源节点，即每个节点发热量均为PD2/5 ; 第三步：等效热阻的计算： 等效热网络模型中各节点之间由等效热阻相连，永磁球形电动机中损耗产生的热量通 过等效热阻进行传递，根据模型中各节点间不同类型的热量传播方式，将等效热阻分为三 种：传导热阻R1= L/k/A i，其中L为传导路径的长度，A1S热传导面积，k为材料的导热系 数；对流热阻馬=IAcZA 2，其中^为热交换面积，h。为对流传热系数；辐射热阻1?3= ι/hy A3，其中八3为热辐射面积，h ^为辐射传热系数； 其中，磁极与转子腔之间为传导热阻；磁极与转子铝心之间为传导热阻；定子绕组与 磁极之间为对流热阻；定子铝心与磁极之间为对流热阻；定子绕组与定子铝心之间为传导 热阻；定子绕组与定子铝壳之间为传导热阻；定子铝心与定子铝壳之间为传导热阻；定子 铝壳与外界之间为对流热阻与辐射热阻； 第四步：数据采集： 在进行温升预测的时候，采集所述永磁球形电动机的定子相电流，采集外界温度值； 第五步：热网络中节点的温升预测： 永磁球形电动机各节点温度的热力学方程为
1其中[G]为热网络的 热导矩阵，[P]为各节点的损耗列向量，[C]为热网络的热容矩阵，[T]为各节点的温升列向 量，利用MATLAB编写程序进行计算，可得热网络中各节点的温升情况。
【专利摘要】本发明涉及一种基于三维等效热网络模型的永磁球形电动机温升预测方法，包括以下步骤：(1)三维等效热网络模型的建立：针对永磁球形电动机特殊的球状结构，建立符合其真实空间结构的三维等效热网络模型，(2)热源的确定：将磁极损耗、定子线圈铜损耗、定子铝耗以及转子铝耗作为热源分布至三维等效热网络模型中的相应节点，(3)等效热阻的计算：根据模型中各节点间不同类型的热量传播方式，将等效热阻分为三种：传导热阻、对流热阻和辐射热阻，(4)数据采集，(5)模型中各节点的温升预测：通过求解三维等效热网络模型，获得永磁球形电动机各节点的温度。本发明耗费时间短、易于操作且具有较高的准确性，对于结构复杂或不能采用二维热网络模型进行分析的系统具有很强的适用性。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104537154
【申请号】CN201410751445
【发明人】李洪凤, 沈彦波
【申请人】天津大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月9日