[发明专利]一种基于多场耦合的电机温度场数据处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及仿真计算领域，尤其是涉及一种基于多场耦合的电机温度场数据处理方法。

背景技术

电机是将电能从最初的能源形式转换过来的重要桥梁，是将大部分电能转换为机械能的装置。异步电机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠，以及重量较轻、成本较低等优点。异步电机具有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。随着电机制造业的发展，冷却方式、材料及工艺的改进，电动机的单机容量在不断增大，电机电磁负荷和热负荷也随之提高，电机运行时产生的单位体积损耗不断增长，使得电机发热严重，这将直接影响到电机的使用寿命和运行可靠性。大型异步电机由于结构复杂，造价高昂，出现故障后通常都会造成巨大的经济损失。

对电机的热问题的研究也一直是电机研究中的一个重要方面，热问题直接影响电机的使用寿命和运行的可靠性，例如，当定子绕组发生短路故障时，数值很大的短路电流会产生过热，烧毁绕组和铁心。对于大多数异常工况而言，对电机安全最终构成威胁的主要因素是过热，这是由以下两方面决定的：首先，温升是影响绝缘寿命的重要因素，而大型电机局部区域和部件的温度可能达到很高的水平。其次，由于电机内金属材料的强度和硬度随温度的升高而下降，在温度过高或温度不太高但持续时间长时都会造成金属强度的下降，从而影响到电机的安全运行。而大型电机由于单机容量大，电机负荷也随之提高，电机运行时产生的单位体积损耗更大，使得大型电机发热现象更加严重。因此，准确地计算和研究大型异步电机温升是制造和运行部门共同关心的问题。

传统的电机温升计算方法有简化公式法，等效热路法。简化公式法是假定全部铁心损耗及铜耗只通过定子(或转子)圆柱形冷却表面散出，电枢绕组铜的有效部分和接触部分之间没有热交换。这个方法优点是计算简单，缺点是不够精确，不够完整，只能近似计算出电机的平均温升。等效热路法是根据传热学和电路理论来形成等效热路，热路图中的热源为绕组的铜损耗，铁损耗，损耗热量通过各种相应的热阻，由热源向冷却介质传递，形成一个复杂的热网络。采用电路网络中的一些定理和方法来计算电机各有效部分的平均温升。此方法计算精度比简化公式高，能得到电机总体温升和平均温升。但也有不能计算局部温升和工作量大的缺点。而运用现代数值方法的温度场法是最近兴起的温升计算方法，也就是将求解区域离散成许多小单元，在每个单元中建立热传导方程，再对总体方程组进行求解。温度场法将研究对象从宏观转为微观，从总体转到局部单元，求得每一点的温度和温升。

目前对电机的温度场计算方法中还主要限于单独对电机定子温度场或转子温度场求解，而对电机定、转子温度场联立求解的研究工作还较少。有些模型只考虑定子温度场，有些模型只考虑转子温度场，这样就忽略了定转子之间空气隙的热传导作用。另外，温度场与流体场和电磁场关系密切，现在一些研究主要针对流体场和温度场的耦合，电磁场和温度场的耦合，没有对电机多场进行综合考虑的研究。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于多场耦合的电机温度场数据处理方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于多场耦合的电机温度场数据处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)使用有限元软件建立电机物理模型，包括根据电磁场理论建立二维电磁场模型和根据流体力学理论建立三维流体场模型；

2)对于二维电磁场模型，利用有限元方法建立求解域内的场路耦合有限元方程，计算得到电机的电磁场分布，包括磁通密度分布和电流分布，并计算定子线圈铜损耗、转子导条铜损耗以及定转子铁心损耗；

3)对于三维流体场模型，选取计算区域简化三维流体场模型，简化后的模型包括定转子之间气隙流场与温度场计算物理模型以及定转子铁芯、绕组固体温度场计算物理模型，将简化后的三维流体场模型导入到有限元软件中进行网格划分，采用有限体积法对计算区域进行迭代计算，得到电机的流体场分布；

4)根据通风系统内的各处风速以及电机定转子结构参数，通过流体力学计算公式和质量守恒定律计算电机表面的散热系数；

5)将步骤2)电磁场分析所得出的电机运行时的各项损耗值作为热源加载到三维流体场模型中，根据步骤4)计算得到的散热系数得出各类边界条件，采用有限体积法对不同工况下电机定转子温度场的计算区域进行耦合数值模拟，最后得到电机的温度场分布。

步骤1)所述的二维电磁场模型为电机轴向的二维截面。

步骤2)所述的计算定子线圈铜损耗P_cu的计算公式为