一种适用于双馈电机电刷滑环系统温度场仿真计算方法技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于双馈电机电刷滑环系统温度场仿真计算方法。所述方法包括如下步骤：建立所述电刷滑环系统的3D模型；根据所述电刷滑环的部件分布对3D模型进行网格划分；获取所述电刷滑环的材料参数、电流大小、施加电流载荷以及边界条件；获取所述电刷滑环的生热率、对流换热系数；根据所述网格划分后的3D模型、材料参数、电流大小、施加电流载荷、边界条件、生热率和对流换热系数仿真得到电刷滑环的温度场。本发明专利技术结合电刷滑环的工作情况，利用电学，热力学相关知识，较精确的仿真出了电刷滑环在工作条件下的温度场情况，为电刷滑环系统温度检测提供理论支撑，也可以为后续的电刷滑环故障诊断提供技术支持。

A simulation method for temperature field of brush slip ring system of doubly fed machine

The invention discloses a temperature field simulation calculation method suitable for the brush slip ring system of a doubly fed motor. The method comprises the following steps: establishing a 3D model of the brush slip ring system; meshing the 3D model according to the component distribution of the brush slip ring; obtaining the material parameters, current magnitude, applied current load and boundary conditions of the brush slip ring; obtaining the heat generation rate and convection heat transfer coefficient of the brush slip ring; 3D model and material after meshing The temperature field of the brush slip ring is obtained by simulation of material parameters, current magnitude, applied current load, boundary conditions, heat generation rate and convection heat transfer coefficient. In combination with the working condition of the brush slip ring, the invention accurately simulates the temperature field of the brush slip ring under the working condition by using the knowledge of electricity and thermodynamics, which provides the theoretical support for the temperature detection of the brush slip ring system and the technical support for the subsequent fault diagnosis of the brush slip ring.

【技术实现步骤摘要】
一种适用于双馈电机电刷滑环系统温度场仿真计算方法
本专利技术涉及电刷
，具体涉及一种适用于双馈电机电刷滑环系统温度场仿真计算方法。
技术介绍
随着计算机技术的飞速发展，使得有限元分析在工程上的应用越来越广阔，有限元分析具有概念清楚，适应能力强，易于表达，易于处理几何形状复杂的问题等优势，这使得有限元分析在对实际的工程问题进行求解的过程中，可以更加的贴近于实际情况，具有较高的准确度。电刷滑环系统作为发电机的动静转换器件，运行中的电刷滑环系统故障所导致的发电机运行不稳定现象屡有发生，造成重大损失。此外，电刷滑环系统的日常维护工作量大，需要经常开展人工检查和器件更换工作，尤其是处于恶劣环境下的风电机组：如高海拔、低气压、高湿度等，使电刷滑环系统的维护、修理工作更加困难，需要投入更多的人力、物力和财力。而现存的温度检测技术精度均不高，目前还不能稳定、实时、精确地对电刷滑环系统全局温度场进行反映。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种适用于双馈电机电刷滑环系统温度场仿真计算方法，以解决现有技术中存在的检测精度不高、不稳定的问题为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种适用于双馈电机电刷滑环系统温度场仿真计算方法，所述方法包括如下步骤：建立所述电刷滑环系统的3D模型；根据所述电刷滑环的部件分布对3D模型进行网格划分；获取所述电刷滑环的材料参数、电流大小、施加电流载荷以及边界条件；获取所述电刷滑环的生热率、对流换热系数；根据所述网格划分后的3D模型、材料参数、电流大小、施加电流载荷、边界条件、生热率和对流换热系数仿真得到电刷滑环的温度场。进一步的，所述生热率的获取方法包括：根据所述电刷滑环之间产生的电刷表面摩擦功率损耗和滑环表面摩擦功率损耗分别计算出对应的生热率。进一步的，所述电刷表面摩擦功率损耗的计算公式如下：P12＝FwFhμfv，其中，P12为电刷表面摩擦功率损耗，Fw为摩擦热量的能量转化因子，Fh为接触面间的热能分配因子，μ为接触面摩擦系数；f为弹簧压力；v为滑环表面线速度；所述滑环表面摩擦功率损耗的计算公式如下：P22＝Fw(1-Fh)μfv，其中，P22为滑环表面摩擦功率损耗；所述生热率的计算公式如下：q＝P/V，式中q为生热率，P为功率损耗，V为体积。进一步的，所述对流换热系数的获取方法包括：式中，h为滑环旋转表面的对流换热系数，λ为导热系数，Pr为普朗特数，R为滑环外径；Rer为滑环表面旋转雷诺数，ω为滑环转速，τ为运动粘度。进一步的，所述结构参数包括电阻率和热导率。进一步的，所述网格划分方法包括：对所述电刷滑环的电刷、滑环和滑环引线进行高密度网格划分；对所述电刷滑环的绝缘套进行低密度的网格划分。与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果是：1、通过简化电刷滑环模型可以在确保能反映电刷滑环系统温度分布的情况下简化计算模型，并且对不同的部件采取不同的网格划分方法，确保计算准确的同时可以有效地利用计算机，在兼顾精度的情况下提升计算速度；2、考虑到电刷滑环系统摩擦损耗时，据hertz接触理论，由弹簧压力，接触面摩擦因子，接触面线速度，以及摩擦热量转化因子，可以计算出电刷的热损耗，与电刷体积做商后，可以得到单位体积的生热率；由于电刷滑环构成摩擦副，同理可以得到滑环的单位体积生热率，用于建立电刷滑环系统的准确温度场；3、基于电刷滑环的工作状态，其与空气中的热交换一定不是普通的对流交换，结合热力学理论，计算出电刷滑环工作状态下与周围空气之间的热对流交换系数，无疑可以建立更准确的温度场模型，为温度检测提供理论支持，为电刷滑环过热等故障诊断提供技术支持。附图说明图1是本专利技术涉及的电刷滑环系统热电耦合计算流程图；具体实施方式下面结合说明书附图和具体实施对本专利技术工作原理和技术方案作进一步详细的描述。一种适用于双馈电机电刷滑环系统温度场仿真计算方法，包括如下步骤：步骤1：了解大型双馈风力发电机电刷滑环系统，根据三相的相同性，对模型进行简化，建立电刷滑环系统的3D模型，通过计算一相的温度场来模拟整个系统的温度场。步骤2：对建立的3D模型进行网格划分，为了加快计算速度以及确保模拟温度场的计算准确性，对不同的部件采用不同的网格划分方法：对于电刷滑环重要部件采取高密度的网格划分，对于绝缘套换采用低密度的网格划分。步骤3：采集电刷滑环的材料参数，特别是电刷滑环的电阻率以及热导率。步骤4：根据电刷滑环的工作条件确定施加在每个电刷上的电流大小，施加电流载荷以及边界条件。步骤5：双馈异步发电机运行时，滑环安装在转轴上，与大轴同步转动，电刷固定用以传到励磁电流，因而在电刷滑环间产生高速旋转摩擦，继而产生电刷表面摩擦功率损耗。根据hertz接触理论，计算实体单元的生热率。电刷滑环的接触构成摩擦副，进而可以得出滑环的生热率。步骤6：滑环通过发电机大轴带动以高速旋转，其表面与空气存在对流换热，根据传热学理论，计算滑环旋转表面对流换热系数。步骤7：根据前边步骤获得的网格划分后的3D模型、材料参数、电流大小、施加电流载荷、边界条件、生热率和对流换热系数，在ANSYS软件中通过设置激励以及边界条件，仿真出电刷滑环的温度场。表1：电刷滑环系统的尺寸以及材料的物理属性；如图1所示，要想得到双馈电机电刷滑环系统的温度场分布情况，还需要进行如下步骤：1)在得知电刷滑环系统材料属性的前提下，在建立的简化3D电刷滑环系统中对材料属性进行设置，并且对六块电刷、滑环及滑环引线进行高密度网格划分，而对绝缘套管进行低密度网格划分，确保计算精度和计算速度。2)建立电刷滑环摩擦副：电刷固定用以传导励磁电流，因而在电刷滑环间产生高速旋转摩擦，继而产生电刷表面摩擦功率损耗P12。根据hertz接触理论，电刷表面摩擦功率损耗：P12＝FwFhμfv式中：Fw为摩擦热量的能量转化因子，默认取1；Fh为接触面间的热能分配因子，取值为0.5；μ为接触面摩擦系数；f为弹簧压力；v为滑环表面线速度，电刷滑环系统运行时，电刷和滑环之间的接触构成摩擦副。滑环表面摩擦功率损耗P22可由下式得出：P22＝Fw(1-Fh)μfv。分别计算出电刷表面摩擦功率损耗和滑环表面摩擦功率损耗，生热率定义为单位体积的功率损耗，功率损耗通过生热率的方式加载到温度场相应的实体单元上，生热率q的表达式如下：q＝P/V式中q、P、V分别为实体单元的生热率、功率损耗和体积。分别算出电刷滑环的单位体积功率损耗，施加功率载荷。3)励磁电流额定值取150A，平均每个电刷上分流25A。4)计算滑环系统与周围环境的热交换系数，滑环通过发电机大轴带动以高速旋转，其表面与空气存在对流换热，准确计算换热系数是对滑环温度场仿真的关键。滑环周围空气在30℃时的物性参数为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于双馈电机电刷滑环系统温度场仿真计算方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：/n建立所述电刷滑环系统的3D模型；/n根据所述电刷滑环的部件分布对3D模型进行网格划分；/n获取所述电刷滑环的材料参数、电流大小、施加电流载荷以及边界条件；/n获取所述电刷滑环的生热率、对流换热系数；/n根据所述网格划分后的3D模型、材料参数、电流大小、施加电流载荷、边界条件、生热率和对流换热系数仿真得到电刷滑环的温度场。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于双馈电机电刷滑环系统温度场仿真计算方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
建立所述电刷滑环系统的3D模型；
根据所述电刷滑环的部件分布对3D模型进行网格划分；
获取所述电刷滑环的材料参数、电流大小、施加电流载荷以及边界条件；
获取所述电刷滑环的生热率、对流换热系数；
根据所述网格划分后的3D模型、材料参数、电流大小、施加电流载荷、边界条件、生热率和对流换热系数仿真得到电刷滑环的温度场。


2.根据权利要求1所述的一种适用于双馈电机电刷滑环系统温度场仿真计算方法，其特征在于，所述生热率的获取方法包括：
根据所述电刷滑环之间产生的电刷表面摩擦功率损耗和滑环表面摩擦功率损耗分别计算出对应的生热率。


3.根据权利要求2所述的一种适用于双馈电机电刷滑环系统温度场仿真计算方法，其特征在于，所述电刷表面摩擦功率损耗的计算公式如下：
P12＝FwFhμfv，
其中，P12为电刷表面摩擦功率损耗，Fw为摩擦热量的能量转化因子，Fh为接触面间的热能分配因子，μ为接触面摩擦系...

【专利技术属性】
技术研发人员：巩源泉，马宏忠，潘文豪，赵帅，宋开胜，
申请(专利权)人：上海电气风电集团有限公司，河海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31