[發明專利]一種獲取電機瞬態溫度場的方法與裝置

有效

• 申請號: 201410630808.8
• 申請日: 2014-11-10
• 公開（公告）號: CN104408237B
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 丁杰;唐玉兔;李江紅;王堅
• 申請（專利權）人: 南車株洲電力機車研究所有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京聿宏知識產權代理有限公司11372
• 代理人: 朱繪,張文娟

技術領域

本發明涉及分析及測量控制技術領域，具體說涉及一種獲取電機瞬態溫度場的方法與裝置。

背景技術

電機作為一種機電能量轉換裝置，其在運行過程中會產生鐵損、銅損和機械損耗等損耗，從而導致電機溫度升高。電機溫度升高與電機的使用壽命有著直接的關系，同時也對電機的出力、效率等性能有一定的影響。電機溫度升高的具體參數是衡量電機性能的重要指標之一。因此，在衡量電機性能以及監控電機工作狀態的過程中，通常會對電機進行熱分析，尤其是瞬態熱分析從而獲取電機溫度場。

目前，獲取電機溫度場主要采用以下幾種方法：

(1)熱阻抗網絡法，主要利用電機多個關鍵點的熱阻與熱容、接觸熱阻、損耗、環境溫度和簡單的計算公式構成電機的熱阻抗網絡模型，從而通過計算即可得到電機多個關鍵點的溫升。然而，電機關鍵點的選取、熱阻值、熱容值、計算公式、系數的選取等具有一定的局限性，需要通過大量的實驗數據或類比的方法來獲取，很難對不同型號的電機進行推廣應用。

(2)有限元法(Finite Element Method,簡稱FEM)，主要利用有限元軟件建立電機的有限元模型，從而計算穩態或瞬態的溫度場。然而，在現有技術中有限元法通常采用簡化模型的方法來處理溫度場與流體場耦合的問題，并且采用對稱性的方式將實際上不對稱的模型進行簡化處理，這樣大大影響了計算結果的準確性。同時，基于有限元模型計算溫度場的計算量較大，有限元法的瞬態計算很難應用于實際工程中。

(3)有限體積法，主要利用流體動力學計算(Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)軟件建立電機和流體區域的仿真模型，計算穩態或瞬態的溫度場、流場。有限體積法需要對流體區域建立大量的網格，且邊界層和湍流模型對網格的數量和質量提出了很高的要求，導致計算量非常大。與有限元法類似，有限體積法的瞬態計算很難應用于實際工程中。

綜上，現有技術中獲取電機瞬態溫度場的方法不僅沒有很好地兼顧獲取結果準確性和計算量，并且其可操作性以及實用性都不理想。

因此，針對現有電機瞬態溫度場獲取方法中存在的問題，需要一種新的電機瞬態溫度場獲取方法以兼顧獲取結果的準確性和計算量從而達到更加理想的可操作性以及實用性。

發明內容

針對現有電機瞬態溫度場獲取方法無法兼顧計算量和結果準確性的問題，本發明提供了一種獲取電機瞬態溫度場的方法，所述方法包含以下步驟：

步驟一，獲取電機的第一有限元模型；

步驟二，對所述第一有限元模型進行降階處理，從而得到所述電機的降階模型；

步驟三，對所述降階模型進行求解，從而得到所述降階模型的計算結果；

步驟四，將所述計算結果映射到所述第一有限元模型，從而得到所述第一有限元模型中每個節點在不同時刻的溫度映射。

在一實施例中，所述步驟一包含以下步驟：

模型構建步驟，構建所述電機的有限體積法模型和第二有限元模型；

獲取對流換熱系數分布步驟，對所述有限體積法模型進行穩態計算，從而獲取所述電機內部的對流換熱系數分布；

映射對流換熱系數分布步驟，將所述對流換熱系數分布映射到所述第二有限元模型中，從而形成所述第一有限元模型。

在一實施例中，所述模型構建步驟包含以下步驟：

分析所述電機的冷卻條件與幾何結構對電機溫度場產生的影響，從而得到分析結果；

根據所述分析結果確定所要構建的所述有限體積法模型和所述第二有限元模型的類型。

在一實施例中，在所述映射對流換熱系數分布步驟中，首先對所述對流換熱系數分布進行相應的插值處理，然后將插值處理后的所述對流換熱系數分布映射到所述第二有限元模型中。

在一實施例中，所述步驟二包含以下步驟：

提取所述第一有限元模型的熱傳導矩陣和熱容矩陣；

對所述熱傳導矩陣和所述熱容矩陣進行分解；

對分解后的所述熱傳導矩陣和所述熱容矩陣進行降階處理，從而得到所述降階模型。

在一實施例中，所述步驟三包含以下步驟：

獲取所述電機的損耗值；

基于所述損耗值對所述降階矩陣進行求解，從而得到所述降階矩陣的計算結果。

在一實施例中，所述方法還包含步驟五，對所述第一有限元模型中每個節點在不同時刻的溫度映射進行云圖顯示。

本發明還提供了一種獲取電機瞬態溫度場的裝置，所述裝置包括：

有限元模型獲取模塊，用于獲取并輸出電機的第一有限元模型；