一种轴向通风永磁同步电机温度场计算方法技术

本发明专利技术涉及一种轴向通风永磁同步电机温度场计算方法，包括：以传热学为基础分别建立电机各部件的热网络；将各部件的热网络相互连接构成整个电机自身结构的热网络模型；对电机中的冷却气流进行建模，将冷却气流模拟为由冷却气流量控制的热压源，设气流温度在端部和转子通风孔内呈线性变化，把各自中点位置的气流温度视为气流的平均温升；将表示冷却气流的热压源与电机自身结构热网络结合：列写节点方程求解各个节点温度。本发明专利技术可以得到更为精确合理的电机温度场。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电机温度场计算特性分析领域，尤其涉及一种基于将冷却介质与电机自身结构的热网络结合为一体模型的电机温度场计算方法。
技术介绍
永磁同步电机与传统电励磁电机相比，具有结构简单、可靠性强、功率密度高等诸多优点，因而应用广泛。然而温度过高会导致永磁材料退磁，影响电机的效率、使用寿命和可靠性，所以温度场计算是永磁同步电机设计过程中必不可少的环节。在计算电机温度场时，常用有限元法和等效热网络法。有限元法计算结果准确，但是计算量大，耗时长，较大的计算负担不利于在电机优化设计大规模使用；等效热网络法具有计算量小，耗时短的特点，虽然计算精度没有有限元法高，但是计算精度在可以接受的范围之内，在电机温度场计算当中仍然有重要的作用。最初的热网络法是将电机温度场离散化为网格，将分布参数转换为集中参数，构成电机等效热网络，可根据电机的具体结构以及期望得到温度的部位灵活设置节点和热阻，其网络参数设置的合理性直接影响电机温度的计算精度，需要有丰富可靠的经验设置热路结构参数才能得到符合工程要求精度的分析结果。后来T型等效热网络模型被学者广泛应用，因为该模型以固定的热路形式表示电机的各个部件，能同时实现轴向和径向的热流分析和温度计算，能够简化网络的设计过程。目前，电机等效热网络模型存在的问题为：建立网络时，通常假设电机轴向呈对称结构，忽略了冷却介质的轴向温差对电机温度场分布的影响，认为电机温度以中间横截面呈对称分布，这在冷却介质轴向温差较大的电机中是不合理的。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述热网络模型计算电机温度场存在的不足，改进热网络模型，提供一种轴向通风永磁同步电机温度场计算方法。本专利技术通过建立考虑到冷却介质温差影响的永磁同步电机三维等效热网络模型，提供更为精确的温度场计算方法。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种轴向通风永磁同步电机温度场计算方法，包括下列步骤：1)以传热学为基础分别建立电机各部件的热网络，电机部件包括外壳、定子轭、定子齿、定子绕组、绕组端部、定转子间气隙、永磁体、转子轭和转轴。2)将各部件的热网络相互连接构成整个电机自身结构的热网络模型。3)对电机中的冷却气流进行建模，将冷却气流模拟为由冷却气流量控制的热压源，设气流温度在端部和转子通风孔内呈线性变化，把各自中点位置的气流温度视为气流的平均温升：①冷却气流从电机一侧端部流入，吸收掉绕组端部由定子轭，绕组端部，转子轭和永磁体通过热对流散发的热功率，使气流温度升高，得到第一个温升值；②冷却气流吸收掉转子轭的部分损耗，使温度升高，得到第二个温升值；③冷却气流在高温一侧端部吸收的由定子轭，绕组端部，转子轭和永磁体通过热对流散发的热功率，使其温度升高，得到第三个温升值。用以上三个部位的温升值代表冷却气流在三个部位的平均温升，以热压源的形式在热网络模型中表示。4)将表示冷却气流的热压源与电机自身结构热网络结合：①电机两侧端部代表冷却气流的热压源分别通过一个对流热阻与外壳、定子轭、定子齿、永磁体、转子轭、转轴的侧面以及绕组端部相连接；②电机转子通风孔内代表冷却气流的热压源通过一个对流热阻与转子轭的平均温度点相连接，最终形成完整的轴向通风永磁同步电机热网络模型。5)列写节点方程求解各个节点温度。本专利技术有益效果如下：(1)所建立的三维热网络模型使电机自身结构形成的无源热网络与通风系统冷却气流形成一个整体，能够在同一方程组中求解,可以得到轴向非对称的温度场分布，弥补了传统的利用T型热网络模型建立电机热网络方法的缺点。(2)本专利技术主要针对电机内部主要部件的温度进行计算，省略了外壳、端盖与轴承之间复杂的热连接，建模和计算较简单。(3)冷却气流的建模方法是普适的，可以灵活地应用于更多结构类型的电机温度场计算当中。建模的方式也多种多样，不一定需要三个节点代表冷却气流温度，还可以设置更多节点代表冷却气流以得到更加精确的温度分布。附图说明图1为(a)永磁同步电机电机内的圆环柱体结构示意图及其对应的(b)T型等效热网络模型。图2为定子齿热网络模型示意图，(a)为热网络，(b)为部件结构。图3为外壳热网络模型示意图，(a)为热网络，(b)为部件结构。图4为转轴热网络模型示意图，(a)为热网络，(b)为部件结构。图5为定子绕组热网络模型示意图，(a)为热网络，(b)为部件结构。图6为绕组端部热网络模型示意图，(a)为热网络，(b)为部件结构。图7为定转子间气隙热网络模型示意图，(a)为热网络，(b)为部件结构。图8为永磁同步电机中冷却气流温升示意图。图9为永磁同步电机三维热网络模型。图10为通风孔流速矢量图。图11为通风孔冷却气流温度分布图。图12为(a)为有冷却气流电机转子温度分布与(b)为无冷却气流电机转子温度分布的比较。图13为电机定子的温度分布图。图14为热网络模型求解结果与有限元仿真结果的比较。每组柱状图里，中间的柱状图为网络计算值，两边的柱状图分别为仿真最小值和最大值。具体实施方式本专利技术首先利用MATLAB软件编写程序建立永磁同步电机三维热网络模型，对网络进行求解，得到轴向非对称的温度场分布。然后利用有限元软件进行温度场和流体场耦合仿真，求解得到冷却气流的温度分布以及电机各部件的温度分布，比较两者得到的结果，证明了冷却通风系统模型以及整个三维热网络模型的正确性和可行性。下面结合实施例对本专利技术进一步说明。本专利技术的具体实施步骤如下：1)把永磁同步电机三维热网络模型一分为二，分别对冷却介质和电机自身结构进行建模。2)按照电机各部件的结构特性将电机分为外壳、定子轭、定子齿、定子绕组、绕组端部、永磁体、转子轭、转轴定转子间气隙9个部分分成三组，其中，定子轭、转子轭为第一组；永磁体，定子齿为第二组；外壳、转轴、定子绕组、绕组端部和定转子间气隙为第三组。3)第一组中的定子轭、转子轭均视为标准的圆环主体结构，可以用如图1所示的T型等效网络来表示，各个热阻的计算公式如下： R 1 r = 1 4 πk r l [ 1 - 2 r 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轴向通风永磁同步电机温度场计算方法，包括下列步骤：1)以传热学为基础分别建立电机各部件的热网络，电机部件包括外壳、定子轭、定子齿、定子绕组、绕组端部、定转子间气隙、永磁体、转子轭和转轴。2)将各部件的热网络相互连接构成整个电机自身结构的热网络模型；3)对电机中的冷却气流进行建模，将冷却气流模拟为由冷却气流量控制的热压源，设气流温度在端部和转子通风孔内呈线性变化，把各自中点位置的气流温度视为气流的平均温升：①冷却气流从电机一侧端部流入，吸收掉绕组端部由定子轭，绕组端部，转子轭和永磁体通过热对流散发的热功率，使气流温度升高，得到第一个温升值；②冷却气流吸收掉转子轭的部分损耗，使温度升高，得到第二个温升值；③冷却气流在高温一侧端部吸收的由定子轭，绕组端部，转子轭和永磁体通过热对流散发的热功率，使其温度升高，得到第三个温升值；用以上三个部位的温升值代表冷却气流在三个部位的平均温升，以热压源的形式在热网络模型中表示；4)将表示冷却气流的热压源与电机自身结构热网络结合：①电机两侧端部代表冷却气流的热压源分别通过一个对流热阻与外壳、定子轭、定子齿、永磁体、转子轭、转轴的侧面以及绕组端部相连接；②电机转子通风孔内代表冷却气流的热压源通过一个对流热阻与转子轭的平均温度点相连接，最终形成完整的轴向通风永磁同步电机热网络模型；5)列写节点方程求解各个节点温度。...

【技术特征摘要】
1.一种轴向通风永磁同步电机温度场计算方法，包括下列步骤：1)以传热学为基础分别建立电机各部件的热网络，电机部件包括外壳、定子轭、定子齿、定子绕组、绕组端部、定转子间气隙、永磁体、转子轭和转轴。2)将各部件的热网络相互连接构成整个电机自身结构的热网络模型；3)对电机中的冷却气流进行建模，将冷却气流模拟为由冷却气流量控制的热压源，设气流温度在端部和转子通风孔内呈线性变化，把各自中点位置的气流温度视为气流的平均温升：①冷却气流从电机一侧端部流入，吸收掉绕组端部由定子轭，绕组端部，转子轭和永磁体通过热对流散发的热功率，使气流温度升高，得到第一个温升值；②冷却气流吸收掉转子轭的部分损...

【专利技术属性】
技术研发人员：李斌，李桂丹，孙竟成，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12