[发明专利]一种永磁风力发电机多场-路耦合模拟计算方法

权利要求书

1.一种永磁风力发电机多场-路耦合模拟计算方法，其特征在于，包括：

(1)考虑发电机换热形式建立内流场、固体域、外流场的求解域模型；

(2)对步骤(1)建立的内流域、固体域和外流域三种求解域分别进行非结构网格划分；

(3)依据各部件实际物性施加材料属性；

(4)通过风洞试验采集数值模拟的初始约束条件，通过风洞试验中的热线风速仪与扭矩仪测量来流矢量及旋转机械特性；

(5)将步骤(4)所测结果作为入口条件，以旋转机械激励形式进行载荷施加，依据环境温度施加求解域初始边界温度，依据电磁损耗经验公式施加IHG内热源，通过数值模拟中基于有限体积法的流体分析、基于有限单元法的稳态热分析与瞬态热分析模块进行流场及温度场计算分析；

(6)通过数据双向传输及耦合模块和MPCCI插值计算法完成流-固接触面上换热量、壁面温度和换热系数的双向交换过程，实现发电机流-热双向耦合；

(7)将流-热双向耦合所得温度分布施加于电磁场计算中，通过MPV磁位矢量法模拟永磁体交变磁场，得到动态磁场变化，进而将电磁损耗以IHG内热源形式返回至热-流耦合中，如此反复多次迭代，采用有限体积法进行流-热耦合、采用有限单元法进行热-磁耦合、采用有限公式法进行场-路耦合，最终得到永磁风力发电机流-热-磁双向耦合数值模拟计算结果；

步骤(1)中，还包括建立包裹转子的旋转流域，即假定转子与旋转流域同步运动；

步骤(5)中，具体计算如下：

焦耳损耗为P_J＝I²·R，I为绕组内电流，R为铜线内阻；

铁耗采用常系数三相模型其中P_h为磁滞损耗，P_c为经典涡流损耗，P_e为异常涡流损耗，B_m为磁通密度幅值，f为频率，K_h为磁滞损耗系数，K_c为经典涡流损耗系数，K_e为异常涡流损耗系数，α为磁滞损耗系数，皆与材料属性有关；

内流域因存在旋转矢量效应，湍流模型设置为k-ω模型，外流域湍流模型采用Realizable k-ε模型：

在瞬态坐标系下建立流动与换热瞬态控制方程，依次为质量、动量及能量守恒方程：

式中：ρ表示流体密度，为流体速度矢量，为微元体位置矢量，为微元体上的体积力，τ微元体表面的粘性应力，T为微元体温度，Γ为扩散系数，S_T为单位体积内热源产生的热量与定压比热容的比值；

针对发电机内部空间小、强旋转力、弱剪应力的独特流体流动特点，选取SST k-ω作为参照，修正其湍流粘度的异向性，将其中的标量参数替换为张量参数，即

其中

根据发电机结构，Coriolis force的方向为x，z方向，而因温势差导致的流势变化为y方向，故受Coriolis force影响较大的雷诺切应力应为与两分量；因而修正μ_t，13与μ_t，22以适应发电机运行中的二次流问题，为推导二次流系数f_ij，简化雷诺应力微分方程，即

其中：为应力衍生项；为Coriolis force衍生项；为再分配项；为耗散项；另常数c₁＝1.5，c₂＝0.6；

经对各衍生项简化进而得到二次流系数f₁₃与f₂₂为：

其中μ_t，13和μ_t，22为非二次流状态的湍流粘度；μ_t，13^*和μ_t，22^*为二次流状态的湍流粘度；

通过设置流体属性为Density Base，而后采用显示耦合求解器，同时求解连续方程、动量方程、能量方程及组分输运方程的耦合方程组，然后再逐一求解标量方程，达到线性化；内、外流场计算采用基于高效积分形式的有限体积法，以积分形式的守恒方程描述计算网格定义的每个控制体；固体区域计算采用方便快捷的有限单元法，用单元基函数的线形组合来逼近单元中的真解；计算总时长为2000s，单位迭代步长为10s；在ANSYS WORKBENCH中的Fluent、Steady-State Thermal、Transient Thermal模块进行流场及温度场计算分析；本算法所做假设如下：

1)把流体看作不可压缩流体，且Ma＜0.3；

2)流场入流条件看作恒定值，流体温度看作恒定值，即v₁＝const，T_l＝const；

3)忽略接触热阻，即R＝0；

4)忽略位移电流及其影响，并忽略定子绕组及铁芯的集肤效应。