基于田口方法确定永磁直线电机工作电流与时间的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于田口方法确定永磁直线电机工作电流与时间的方法，首先在环境条件不变的情况下对试验电机进行温升及冷却试验；然后，运用电磁‑热耦合的有限元计算方法计算试验电机在不同电流密度下的稳定温升及冷却过程，并且比较仿真及试验结果，若一致则绘制出该电机的温升与冷却曲线，若不一致根据实验结果修改仿真参数，直到仿真与实验结果相一致。最后根据确定的电机的温升及冷却曲线确定该电机在不同电流密度、不同运行时间、不同冷却时间下的温度，并且应用田口算法得出所选电机电流密度、运行时间、冷却时间下的最符合工程实际的温升组合，即得出最优组合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及直线电机设计及电机利用效率部分的一种确定连续工作制下的永磁直线电机应用于周期工作制下时，工作电流与工作时间的选择的方法。
技术介绍
随着对电机小型化、高效化及节能方面的要求的不断提高，永磁直线电机以其结构简单，功率密度大，效率高及定位准确的优点在数控机床、发射系统及垂直水平提升系统中得到了广泛的应用。为了节能及提高效率，有时候需要把在连续工作制下运行的电机应用于短时或周期工作制下。根据电机发热的特点，选择一台连续工作制运行的电机，使该电机的额定功率大于短时工作制运行的负载功率，那么电机要运行3～4倍的发热时间常数后才会达到最高允许的温升，但是短时工作的时间通常很短，这样电机在发热上就不会被充分利用，因此把连续工作制下工作的电机应用于短时或周期工作制时，需要根据电机的发热特点，热恢复时间的特点等合理选择连续工作制下运行的电机功率，确定短时工作制下电机的电流密度、负载持续率等。田口方法是一种实验设计法，该实验设计是以概率论与数理统计为理论基础，经济地、科学地制定实验方案以便对实验数据进行有效的统计分析的数学理论和方法。其基本思想是英国统计学家R.A.Fisher在进行农田实验时提出的。他在实验中发现，环境条件难于严格控制，随机误差不可忽视，故提出对实验方案必须作合理的安排，使实验数据有合适的数学模型，以减少随机误差的影响，从而提高实验结果的精度和可靠度，本专利技术以电机的电流密度、工作时间及冷却时间为影响因子，利用该思想实现了一种可以快速确定连续工作制下的直线电机应用与断续周期工作制下时工作时间和冷却时间的方法。
技术实现思路
技术问题：本专利技术提供了一种基于田口方法确定永磁直线电机工作电流与时间的方法，能够确定连续工作制下的永磁直线电机应用于周期工作制下时，工作电流与工
作时间以及冷却时间选择，从而避免电机温升过高。技术方案：本专利技术的基于田口方法确定永磁直线电机工作电流与时间的方法，包括以下步骤：1)在环境温度、风速不变的情况下，利用驱动器控制直线电机做往复运动，用多路温度测试仪记录电机在不同电流密度下各时刻的温度，根据所测温度值，直至电机半个小时内的温升不超过2摄氏度时，此为电机的温升过程，此时记录的温度为稳态温度值；然后切断电源，继续记录电机温度，直到电机温度与环境温度相差不超过5摄氏度，此为电机的冷却过程；2)用有限元方法对电机进行电磁计算得到电磁损耗，然后根据所述电磁损耗、仿真参数，运用电磁-热耦合的有限元计算方法计算试验电机在不同电流密度下的稳定温升及冷却过程中的各时刻温度值，所述；3)比较所述步骤1)的实验温度值和步骤2)的仿真温度值，如果相同时间间隔的仿真值与实验值的均方根误差小于5％，则以仿真结果绘制出该电机在不同电流密度下的温升与冷却曲线图，否则根据实验结果修正仿真参数后返回步骤2)；4)根据电机工作制的要求及电机的温升特性，在所述温升与冷却曲线图中选择电机在不同电流密度下的运行时间与冷却时间参数；5)根据所述步骤4)中选择的不同电流密度下的运行时间、冷却时间，采用田口算法得出满足电机工作制及电机温升特性的电流密度、运行时间、冷却时间最优组合。进一步的，本专利技术方法中，所述步骤(2)中的仿真参数为电机槽部混合材料的等效导热系数、电机其他部分单一材料的导热系数、电机各部分的热参数、电机与环境之间的对流系数。进一步的，本专利技术方法中，所述电机槽部混合材料的等效导热系数的是基于Gasar多孔材料计算导热系数的方法，对直线电机的绕组部分做等效模型分析，然后根据热阻的方法，等效计算出的电机绕组部分等效导热系数。进一步的，本专利技术方法中，所述步骤3)中仿真值与实验值的均方根误差根据下式计算：σ=Σι=1ν(Ξρ-Ξφ)ν]]>其中σ为均方根误差，Xr为实验值，Xf为仿真值，n为电机温升达到稳态时间后，间隔相同时间分别读取的温度数据组数，每组数据由相对应的仿真值与实验值构
成。进一步的，本专利技术方法中，所述步骤3)中的修正仿真参数是根据以下公式分别计算修正后的对流系数和等效导热系数：对流系数的计算公式为：h＝Nuλ/δ其中，h是对流系数，λ是导热系数，δ是特征长度，Nu是努塞尔数，Nu＝C(GrLPr)2，C是经验系数，GrL是格拉晓夫数，Pr是普朗特常数；电机槽部混合材料的等效导热系数为：λeq=L/12β·(d2λcop+(d1-d)·d2d1λena+d2-d1λexp)]]>其中，β是修正系数，λeq、λcop、λena、λexp分别为绕组部分的等效导热系数、铜的导热系数、漆包线的导热系数、环氧树脂的导热系数，L是槽的径向长度，d、d1、d2分别为等效单元的铜部分的厚度、铜加漆包线的厚度、铜加漆包线加环氧树脂总的厚度。本专利技术方法能够确定连续工作制下的永磁直线电机应用于周期工作制下时，工作电流与工作时间及热恢复时间的选择。该方法通过对电磁-热耦合的计算及实验验证的方法，拟合得出不同电流密度下的电机温升曲线及热恢复时间曲线，然后根据这两个曲线的选择使电机达到允许最高温升的时间n(n≥2)个以及使温度降为某一个值所需要的时间，并且给出每种时间组合及电流密度组合下的温度，最后用田口方法设定目标因子得出最优组合。本专利技术基于仿真和实验研究直线电机连续工作制下运行时不同电流密度下的温升及对应的冷却时间等参数对该电机工作于周期工作制下的温升的影响，然后确定一组最优组合。总之，本专利技术可以根据实验数据方便快速的确定连续工作的永磁直线电机应用与周期工作制时的电流密度，工作及冷却时间。有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：(1)对于电机槽部等效导热系数的计算，已存在的研究方法基于绕组层等效模型，需要根据电机槽部几何模型、各层材料等效计算，最终采用热网络法求解，求解过程复杂且精度较差。而本专利技术基于Gasar多孔材料计算导热系数的方法建立模型求解，这种方法建模把原本复杂的模型划分为小单元建模，通过单元模型分析求解出整个模型的等效导热系数的计算。模型简化及计算简单易行，可以有效计算电机槽部的
导热系数。该计算方法通过实验得到了验证。(2)对于断续工作制下的电机的选择，大部分的方法需要根据负载持续率时间计算电机损耗(即发热)，计算复杂而且误差较大。而基于田口统计学方法，只需要在实验的基础上对仿真所得数据进行优化组合，就可以得到得到不同电流密度、运行时间及冷却时间组合下的电机的最高温升，避免必须进行实验及各个组合下的仿真分析，节省时间和资源。附图说明图1槽部等效物理模型，图1a为槽部模型，图1b为槽部的单元模型；图2槽部等效热阻模型；图3某台直线电机不同电流密度下的温升曲线；图4某台直线电机不同电流密度下的冷却曲线；图5田口方法求解结果图。图6为本专利技术方法流程图。具体实施方式下面结合实施例和说明书附图对本专利技术作进一步的说明。(1)在环境条件不变的情况下对试验电机进行温升及冷却试验；实验仪器包括一台直线电机、示波器、驱动器、电脑、多路温度测试仪、温度传感器等。实验过程为：在保证环境条件不变的情况下，用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于田口方法确定永磁直线电机工作电流与时间的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)在环境温度、风速不变的情况下，利用驱动器控制直线电机做往复运动，用多路温度测试仪记录电机在不同电流密度下各时刻的温度，根据所测温度值，直至电机半个小时内的温升不超过2摄氏度时，此为电机的温升过程，此时记录的温度为稳态温度值；然后切断电源，继续记录电机温度，直到电机温度与环境温度相差不超过5摄氏度，此为电机的冷却过程；2)用有限元方法对电机进行电磁计算得到电磁损耗，然后根据所述电磁损耗、仿真参数，运用电磁‑热耦合的有限元计算方法计算试验电机在不同电流密度下的稳定温升及冷却过程中的各时刻温度值；3)比较所述步骤1)的实验温度值和步骤2)的仿真温度值，如果相同时间间隔的仿真值与实验值的均方根误差小于5％，则以仿真结果绘制出该电机在不同电流密度下的温升与冷却曲线图，否则根据实验结果修正仿真参数后返回步骤2)；4)根据电机工作制的要求及电机的温升特性，在所述温升与冷却曲线图中选择电机在不同电流密度下的运行时间与冷却时间参数；5)根据所述步骤4)中选择的不同电流密度下的运行时间、冷却时间，采用田口算法得出满足电机工作制及电机温升特性的电流密度、运行时间、冷却时间最优组合。...

【技术特征摘要】
1.一种基于田口方法确定永磁直线电机工作电流与时间的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)在环境温度、风速不变的情况下，利用驱动器控制直线电机做往复运动，用多路温度测试仪记录电机在不同电流密度下各时刻的温度，根据所测温度值，直至电机半个小时内的温升不超过2摄氏度时，此为电机的温升过程，此时记录的温度为稳态温度值；然后切断电源，继续记录电机温度，直到电机温度与环境温度相差不超过5摄氏度，此为电机的冷却过程；2)用有限元方法对电机进行电磁计算得到电磁损耗，然后根据所述电磁损耗、仿真参数，运用电磁-热耦合的有限元计算方法计算试验电机在不同电流密度下的稳定温升及冷却过程中的各时刻温度值；3)比较所述步骤1)的实验温度值和步骤2)的仿真温度值，如果相同时间间隔的仿真值与实验值的均方根误差小于5％，则以仿真结果绘制出该电机在不同电流密度下的温升与冷却曲线图，否则根据实验结果修正仿真参数后返回步骤2)；4)根据电机工作制的要求及电机的温升特性，在所述温升与冷却曲线图中选择电机在不同电流密度下的运行时间与冷却时间参数；5)根据所述步骤4)中选择的不同电流密度下的运行时间、冷却时间，采用田口算法得出满足电机工作制及电机温升特性的电流密度、运行时间、冷却时间最优组合。2.根据权利要求1所述基于田口方法确定永磁直线电机工作电流与时间的方法，其特征在于：所述步骤2)中的仿真参数为电机槽部混合材料的等效导热系数、电机其他部分单一材料的导热系数、电机与环境之间的对流系数。3.根据权利要求2所述基于田口方法确定永磁直线电机工作电流与时间的方法，其特征在于：所述电机槽部混...

【专利技术属性】
技术研发人员：余海涛，刘小梅，黄磊，胡敏强，施振川，封宁君，夏涛，徐鸣飞，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32