[發明專利]一種基于多場耦合的電機溫度場數據處理方法

在審

• 申請號: 201310422756.0
• 申請日: 2013-09-16
• 公開（公告）號: CN104462624A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 馬淑梅;劉雪梅;李愛平;宋守泰;謝楠;徐立云;陳楊楊;倪澤浩
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 王小榮

技術領域

本發明涉及仿真計算領域，尤其是涉及一種基于多場耦合的電機溫度場數據處理方法。

背景技術

電機是將電能從最初的能源形式轉換過來的重要橋梁，是將大部分電能轉換為機械能的裝置。異步電機具有結構簡單，制造、使用和維護方便，運行可靠，以及重量較輕、成本較低等優點。異步電機具有較高的運行效率和較好的工作特性，從空載到滿載范圍內接近恒速運行，能滿足大多數工農業生產機械的傳動要求。隨著電機制造業的發展，冷卻方式、材料及工藝的改進，電動機的單機容量在不斷增大，電機電磁負荷和熱負荷也隨之提高，電機運行時產生的單位體積損耗不斷增長，使得電機發熱嚴重，這將直接影響到電機的使用壽命和運行可靠性。大型異步電機由于結構復雜，造價高昂，出現故障后通常都會造成巨大的經濟損失。

對電機的熱問題的研究也一直是電機研究中的一個重要方面，熱問題直接影響電機的使用壽命和運行的可靠性，例如，當定子繞組發生短路故障時，數值很大的短路電流會產生過熱，燒毀繞組和鐵心。對于大多數異常工況而言，對電機安全最終構成威脅的主要因素是過熱，這是由以下兩方面決定的：首先，溫升是影響絕緣壽命的重要因素，而大型電機局部區域和部件的溫度可能達到很高的水平。其次，由于電機內金屬材料的強度和硬度隨溫度的升高而下降，在溫度過高或溫度不太高但持續時間長時都會造成金屬強度的下降，從而影響到電機的安全運行。而大型電機由于單機容量大，電機負荷也隨之提高，電機運行時產生的單位體積損耗更大，使得大型電機發熱現象更加嚴重。因此，準確地計算和研究大型異步電機溫升是制造和運行部門共同關心的問題。

傳統的電機溫升計算方法有簡化公式法，等效熱路法。簡化公式法是假定全部鐵心損耗及銅耗只通過定子(或轉子)圓柱形冷卻表面散出，電樞繞組銅的有效部分和接觸部分之間沒有熱交換。這個方法優點是計算簡單，缺點是不夠精確，不夠完整，只能近似計算出電機的平均溫升。等效熱路法是根據傳熱學和電路理論來形成等效熱路，熱路圖中的熱源為繞組的銅損耗，鐵損耗，損耗熱量通過各種相應的熱阻，由熱源向冷卻介質傳遞，形成一個復雜的熱網絡。采用電路網絡中的一些定理和方法來計算電機各有效部分的平均溫升。此方法計算精度比簡化公式高，能得到電機總體溫升和平均溫升。但也有不能計算局部溫升和工作量大的缺點。而運用現代數值方法的溫度場法是最近興起的溫升計算方法，也就是將求解區域離散成許多小單元，在每個單元中建立熱傳導方程，再對總體方程組進行求解。溫度場法將研究對象從宏觀轉為微觀，從總體轉到局部單元，求得每一點的溫度和溫升。

目前對電機的溫度場計算方法中還主要限于單獨對電機定子溫度場或轉子溫度場求解，而對電機定、轉子溫度場聯立求解的研究工作還較少。有些模型只考慮定子溫度場，有些模型只考慮轉子溫度場，這樣就忽略了定轉子之間空氣隙的熱傳導作用。另外，溫度場與流體場和電磁場關系密切，現在一些研究主要針對流體場和溫度場的耦合，電磁場和溫度場的耦合，沒有對電機多場進行綜合考慮的研究。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于多場耦合的電機溫度場數據處理方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：一種基于多場耦合的電機溫度場數據處理方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)使用有限元軟件建立電機物理模型，包括根據電磁場理論建立二維電磁場模型和根據流體力學理論建立三維流體場模型；

2)對于二維電磁場模型，利用有限元方法建立求解域內的場路耦合有限元方程，計算得到電機的電磁場分布，包括磁通密度分布和電流分布，并計算定子線圈銅損耗、轉子導條銅損耗以及定轉子鐵心損耗；

3)對于三維流體場模型，選取計算區域簡化三維流體場模型，簡化后的模型包括定轉子之間氣隙流場與溫度場計算物理模型以及定轉子鐵芯、繞組固體溫度場計算物理模型，將簡化后的三維流體場模型導入到有限元軟件中進行網格劃分，采用有限體積法對計算區域進行迭代計算，得到電機的流體場分布；

4)根據通風系統內的各處風速以及電機定轉子結構參數，通過流體力學計算公式和質量守恒定律計算電機表面的散熱系數；

5)將步驟2)電磁場分析所得出的電機運行時的各項損耗值作為熱源加載到三維流體場模型中，根據步驟4)計算得到的散熱系數得出各類邊界條件，采用有限體積法對不同工況下電機定轉子溫度場的計算區域進行耦合數值模擬，最后得到電機的溫度場分布。

步驟1)所述的二維電磁場模型為電機軸向的二維截面。

步驟2)所述的計算定子線圈銅損耗P_cu的計算公式為