[發明專利]一種永磁同步電機溫升散熱分析方法

在審

• 申請號: 201810833512.4
• 申請日: 2018-07-26
• 公開（公告）號: CN109063311A
• 公開（公告）日: 2018-12-21
• 發明（設計）人: 師楠;朱顯輝;蘇勛文;王國新;韓龍;王麗;蔡鼎鍇;宋彥超;王鑫銳
• 申請（專利權）人: 黑龍江科技大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 成都正華專利代理事務所(普通合伙) 51229
• 代理人: 李林合

1.一種永磁同步電機溫升散熱分析方法，其特征在于：包含以下步驟：

S1、通過建立電機電磁場模型進行電磁損耗分析，獲得線圈上的銅損、鐵芯中的鐵損以及永磁材料上的渦流損耗；

S2、建立電機結構溫度場分析和流體散熱分析的流固強耦合共軛熱傳導模型，采用多點約束法即MPC技術確保電機流道固體界面和冷卻液界面溫度的連續性以及熱流的守恒性，以下流固強耦合共軛熱傳導簡稱為流固共軛熱傳導；

S3、建立電磁損耗分析和流固共軛熱傳導分析的雙向弱耦合模型：將電磁損耗分析得到的損耗作為生熱量通過體積映射和插值方法加載到流固共軛熱傳導分析中，并將流固共軛熱傳導分析的溫度分布結果映射傳遞到電磁損耗分析中；

S4、利用重復循環迭代方法實現單獨物理模型的收斂以及電磁場模型和流固共軛熱傳導模型之間的載荷傳遞的收斂性，當收斂條件滿足用戶設定條件時，耦合平衡，計算結束，其中所述單獨物理模型為電磁場模型和流固共軛熱傳導模型。

2.根據權利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述的電磁損耗分析包括對電磁勢向量采用棱邊有限元法進行分析，對麥克斯韋方程進行有限元離散處理并采用拉格朗日乘子法保證解的唯一性。

3.根據權利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述的建立流固強耦合共軛熱傳導模型包括：

ⅰ、建立電機結構溫度場分析并創建熱傳導模塊：依據永磁同步電機的實際工作特點，創建溫度場分析并在電機模型中不同電機組件之間以不同的方式建立熱接觸關系，來創建等效熱回路；

ⅱ、創建流體散熱分析：采用有限單元法對流體散熱分析中的Navier-Stokes方程以及能量守恒方程進行離散，獲得以壓力、速度、溫度為自由度的流體方程；

ⅲ、依據流體和電機結構耦合邊界條件，建立電機結構溫度場分析和流體散熱分析的強耦合條件。

4.根據權利要求3所述的分析方法，其特征在于：所述熱接觸關系包括：

a、對于定子、轉子之間的傳熱，考慮到氣隙內流體的流動效應，采用經驗公式式(1)進行換熱系數的設定：

式中，v為轉子轉速，單位為cm/s，d為定轉子之間的氣隙間距，其單位為cm，h1為定子轉子之間的換熱系數；

b、定子和線圈以及轉子和永磁鐵之間的接觸換熱系數均使用如式(2)所示的計算方程：

式中，λ為定子和線圈或者轉子和永磁鐵之間物質的熱導率，d為定子和線圈或者轉子和永磁鐵之間的間隙；

c、對于電機模型中其他接觸位置，采用多點約束法來實現熱量無損失傳遞的效果；對于和空氣接觸的位置，均采用和空氣對流換熱方式散熱，建立完整的熱回路。

5.根據權利要求4所述的分析方法，其特征在于：所述熱接觸關系中采用罰函數方法實現換熱系數的設定。

6.根據權利要求3所述的分析方法，其特征在于：所述電機結構溫度場分析和流體散熱分析的強耦合采用多點約束法實現耦合界面溫度的連續性以及熱流的平衡性，并允許耦合界面非協調網格的剖分，所述非協調網格耦合時使用程序間耦合界面中的網格映射技術。

7.根據權利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述創建電磁損耗分析和流固共軛熱傳導分析的雙向弱耦合模型在涉及非匹配界面耦合時采用網格映射和插值技術。

8.根據權利要求7所述的分析方法，其特征在于：所述非匹配界面耦合時網格映射和插值技術為Bucket Search的映射操作和基于單元局部坐標的線性插值方式；其中基于單元局部坐標的線性插值方式又包括以下步驟：找到目標點在源項網格上的單元以及局部坐標值，根據源項網格單元各個節點的值，以及目標點在源項網格單元的局部坐標值采用線性插值的方法求得目標點的數值。

9.根據權利要求1所述的分析方法，其特征在于：從電磁場模型到流固共軛熱傳導模型的熱損耗數據傳遞以及從流固共軛熱傳導模型到電磁場模型的溫度傳遞都是通過網絡Socket技術進行數據傳遞，以保證了電磁場模型、流固共軛熱傳導模型之間在運行過程中的實時數據傳遞。

10.根據權利要求1所述的分析方法，其特征在于：實現電磁場模型和流固共軛熱傳導模型之間的載荷傳遞的收斂性包括：使用載荷緩和因子技術把載荷緩和因子施加到分析對象模型之間傳遞過來的載荷向量上，并通過足夠的迭代次數實現載荷傳遞的平衡：

F_i+1＝F_i+α×(F_ext-F_i) 式(3)

式(3)中，F_i+1是i+1迭代步傳遞到受載模型的載荷，F_i是前一迭代步i傳遞到受載模型的載荷，Fext是當前的最新的應施加外載，α是緩和因子，數值在(0,1.0)之間；載荷傳遞收斂控制準則表示如下：

||Fi+1-Fi||/||Fi||<ε 式(4)

式(4)中，ε是實現指定的小數，||*||是向量模。