一种基于多空间尺度的中大型电机多场动态耦合建模方法技术

一种基于多空间尺度的中大型电机多场动态耦合建模方法，属于电机技术领域。为解决传统电机建模方法的不足的问题。本发明专利技术确定中大型电机的具体结构和研究问题分析，所述具体结构为中大型电机的冷却系统、机壳下的定转子铁心、线圈，所述研究问题分析为电磁性能、热性能；确定研究问题所涉及的物理场，所述物理场包括电磁场、温度场、流体场；建立二维电磁场模型，进行有效性验证；基于多空间尺度建立流体域模型，对建立的流体域模型进行分析；建立温度场梯度模型；建立基于多空间尺度的中大型电机多场动态耦合模型。本发明专利技术根据场的情况以及所研究的具体问题进行分析处理，既可以保证准确度又可以加快计算时间。确度又可以加快计算时间。确度又可以加快计算时间。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多空间尺度的中大型电机多场动态耦合建模方法


[0001]本专利技术属于电机
，具体涉及一种基于多空间尺度的中大型电机多场动态耦合建模方法。

技术介绍

[0002]传统的笼型三相感应电机以其结构简单、运行可靠等优点被广泛应用于生产实践，但对笼型感应电机的研究大多都是对其稳定状态下的分析，即稳态耦合分析，在中大型感应电机的分析研究上，电磁的瞬态过程不可忽略，而在电磁瞬态过程中存在一个动态梯度，而传统建模分析时，往往忽略了电磁动态过程下流
‑
热问题的计算。在电磁研究中，由于中大型电机起动时间较长，各个场之间存在非线性耦合关系，按以往有限元方法进行建模，往往容易忽略电机暂态过程中导体内电流的空间分布梯度，影响计算准确度；对于暂态流体的研究，传统的流体建模方法对定转子之间的层流，并没有进行着重分析，故不能准确的描述出电机在不同转速下的流体变化；在进行温度场分析时，以往的研究大多都是针对稳定负载下小型封闭式异步电机的暂态温度场，对于中大型电机而言，往往忽略了电机起动时定子绕组以及转子导条的温升变化，由于同一物理场在电机不同部位的变化梯度不同，在进行电机温升研究时，需着重对电机的定子绕组和转子导条进行梯度化建模，以保证暂态温升的计算精度。

技术实现思路

[0003]本专利技术解决以上传统电机建模方法的不足的问题，提出一种基于多空间尺度的中大型电机多场动态耦合建模方法。
[0004]为实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0005]一种基于多空间尺度的中大型电机多场动态耦合建模方法，包括如下步骤：
[0006]S1、确定中大型电机的具体结构和研究问题分析，所述具体结构为中大型电机的冷却系统、机壳下的定转子铁心、线圈，所述研究问题分析为电磁性能、热性能；
[0007]S2、确定步骤S1的研究问题所涉及的物理场，所述物理场包括电磁场、温度场、流体场(其他的场在以下的研究中没有体现，所以就没有加入)；
[0008]S3、建立二维电磁场模型，进行有效性验证；
[0009]S4、基于多空间尺度建立流体域模型，对建立的流体域模型进行分析；
[0010]S5、建立温度场梯度模型；
[0011]S6、建立基于多空间尺度的中大型电机多场动态耦合模型。
[0012]进一步的，步骤S3建立二维电磁场模型的方法包括以下步骤：
[0013]S3.1、将中大型电机的定子绕组、转子导条部分进行小尺度建模，对定子绕组、转子导条进行加密剖分，剖分形状为三角形剖分、剖分设置值为0.5mm，对电机的槽楔绝缘层进行剖分，剖分形状为三角形剖分、剖分设置值为0.1mm；同时根据电机的导条嵌入深度对导条进行分层，层数选择10
‑
15层，根据集肤效应，距离槽口处的3
‑
4层剖分设置值为0.1mm，
其余的分层剖分设置值为0.5mm；
[0014]S3.2、将中大型电机的铁心、其它部件进行大尺度建模，对铁心、其它部件进行加密剖分，剖分设置值为1mm，剖分形状为三角形剖分；
[0015]S3.3、利用有限元进行电流元面积分分析在中大型电机动态过程下电机导条每一层损耗的变化规律；
[0016]S3.4、中大型电机的铁心损耗，其主要集中在定子齿部和定子轭部，将两部分叠加即可得到铁心损耗的计算公式如下：
[0017][0018]式中：K
d
和K'
d
分别为轭部和齿部的损耗增加系数，G
fej
和G
fet
分别为轭部和齿部的重量，和分别为轭部和齿部的单位损耗，B
j
和分别为轭部和齿部的最大磁通密度，f
N
为频率，由于电磁梯度变化不大，将其计算结果取其恒定值作为温升热源。
[0019]进一步的，步骤S4基于多空间尺度建立流体域模型的方法包括以下步骤：
[0020]S4.1、根据风路流向及各部件结构的复杂程度对整体模型进行分域：
[0021]S4.2、对于中大型电机，定转子铁心具有多个径向通风道，并且中间具有线圈和导条穿过，风路流向连续，作为铁心域；
[0022]S4.3、中大型电机的定子绕组槽数较多，绕线方式不一，端部结构复杂，作为端部域；
[0023]S4.4、根据中大型电机的冷却方式不同，划分不同区域分块处理；
[0024]S4.5、在中大型电机的流体边界层梯度较大的地方进行小尺度建模，将其剖分至0.5mm，其他区域按1mm剖分；
[0025]S4.6、中大型电机在不同转速下流体场变化的不同，在中大型电机定转子层流处进行加密剖分，按同样方式进行小尺度建模，以获得中大型电机在不同转速下的流体变化；
[0026]S4.7、在除流体场外的端部，作为流体场的一个节点进行大尺度建模；
[0027]S4.8、对流体场影响不大的部分做简化处理，包括简化轴承、风扇、冷却器。
[0028]进一步的，步骤S5建立温度场梯度模型包括以下步骤：
[0029]S5.1、对中大型电机的定子绕组部分，进行小尺度建模，剖分形状为三角形剖分、剖分设置值为0.5mm，对电机的槽楔绝缘层进行剖分，剖分形状为三角形剖分、剖分设置值为0.1mm；
[0030]S5.2、对中大型电机的转子导条部分按分层法进行分层处理，转子导条部分的分层电流的计算方法为：
[0031]S5.2.1、由计算机有限元仿真软件计算出电机在某一时刻的导条电流值I
总
；
[0032]S5.2.2、设置转子槽内的第一层的电流值为I1，则转子导条部分的分层电流的公式为：
[0033][0034]其中，分别为转子导条部分第i层与转子导条部分第i+1层的电流，R
i
、R
i+1
分
别为转子导条部分第i层与转子导条部分第i+1层的直流电阻，X
i
为转子导条部分第i层漏电抗，j为虚数单位，为导条每一层的电流值，k为层号；
[0035]X
i
＝ωμl h
i
/b
i
[0036]其中，ω为角速度，μ为磁导率，l为导条的长度，h
i
为导条分层后的第i层高度值，b
i
为导条分层后的第i层宽度值；由此计算出第i层的电流，此时各层的电流均是第一层电流值的函数；
[0037]S5.2.3、求解以I1为变量的方程组，逐步递推出导条各层电流所占总电流值I
总
的比例，然后用该导条电流实际值I
总
与导条各层电流所占比例相乘，得到每一层的电流实际值，最后观察转子导条每一层的电流值，从导条的电流分布情况得到转子内的集肤效应程度；
[0038]S5.3、对中大型电机的定转子铁心，进行大尺度建模。
[0039]进一步的，步骤S6建立基于多空间尺度的中大型电机多场动态耦合模型包括本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多空间尺度的中大型电机多场动态耦合建模方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、确定中大型电机的具体结构和研究问题分析，所述具体结构为中大型电机的冷却系统、机壳下的定转子铁心、线圈，所述研究问题分析为电磁性能、热性能；S2、确定步骤S1的研究问题所涉及的物理场，所述物理场包括电磁场、温度场、流体场；S3、建立二维电磁场模型，进行有效性验证；S4、基于多空间尺度建立流体域模型，对建立的流体域模型进行分析；S5、建立温度场梯度模型；S6、建立基于多空间尺度的中大型电机多场动态耦合模型。2.根据权利要求1所述的一种基于多空间尺度的中大型电机多场动态耦合建模方法，其特征在于：步骤S3建立二维电磁场模型的方法包括以下步骤：S3.1、将中大型电机的定子绕组、转子导条部分进行小尺度建模，对定子绕组、转子导条进行加密剖分，剖分形状为三角形剖分、剖分设置值为0.5mm，对电机的槽楔绝缘层进行剖分，剖分形状为三角形剖分、剖分设置值为0.1mm；同时根据电机的导条嵌入深度对导条进行分层，层数选择10
‑
15层，根据集肤效应，距离槽口处的3
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4层剖分设置值为0.1mm，其余的分层剖分设置值为0.5mm；S3.2、将中大型电机的铁心、其它部件进行大尺度建模，对铁心、其它部件进行加密剖分，剖分设置值为1mm，剖分形状为三角形剖分；S3.3、利用有限元进行电流元面积分分析在中大型电机动态过程下电机导条每一层损耗的变化规律；S3.4、中大型电机的铁心损耗，其主要集中在定子齿部和定子轭部，将两部分叠加即可得到铁心损耗的计算公式如下：式中：K
d
和K'
d
分别为轭部和齿部的损耗增加系数，G
fej
和G
fet
分别为轭部和齿部的重量，和分别为轭部和齿部的单位损耗，B
j
和分别为轭部和齿部的最大磁通密度，f
N
为频率，由于电磁梯度变化不大，将其计算结果取其恒定值作为温升热源。3.根据权利要求1所述的一种基于多空间尺度的中大型电机多场动态耦合建模方法，其特征在于：步骤S4基于多空间尺度建立流体域模型的方法包括以下步骤：S4.1、根据风路流向及各部件结构的复杂程度对整体模型进行分域：S4.2、对于中大型电机，定转子铁心具有多个径向通风道，并且中间具有线圈和导条穿过，风路流向连续，作为铁心域；S4.3、中大型电机的定子绕组槽数较多，绕线方式不一，端部结构复杂，作为端部域；S4.4、根据中大型电机的冷却方式...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏云彦，连如博，陈志成，邵远亮，井博，周洲，吕思佳，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：