[发明专利]一种电机在电磁场-流场-温度场耦合计算中的建模方法

说明书

技术领域

本发明属于一种建模方法，具体涉及一种电机在电磁场-流场-温度场耦合计算中的建模方法。 

背景技术

电机在运行时会产生损耗，这些损耗转变为热能会使各部分温度升高，长期以来电机内运行温升作为衡量运行状态的一个重要指标，在电机综合性能的研究中占据着重要地位。

但是，在进行包含有运动部件比如转子的电机的电磁场-流场-温度场耦合数值计算中，由于流体力学理论中的无滑移边界条件，即流固交界面流体的运动速度为0，当流体计算域中存在运动固体时（电机中既存在空气部分，也存在转子部分），此时流固交界面上的运动速度边界无法直接加载，这样造成转子部分温度值计算困难，现有的处理办法如下：

(1)   仅建立流体计算区域

在整个计算区域中不建立固体区域，只需要在流体区域的边界施加固定的运动速度，如2005年哈尔滨理工大学周封在进行水轮发电机温度场计算时，考虑了转子旋转对流场的影响，其中对于流场的计算区域只选择了转子模型中风道，没有考虑转子部件的建模，仅在风道与转子交界处施加旋转的边界条件。在此种处理方法中，由于电机的温升计算中转子也是发热源，该方法并未考虑转子发热部分，所以存在得出的结果不准确的问题。

(2)   等效风路法

2008年意大利帕多瓦大学电力传动实验室采用等效风路法对旋转电机进行温度计算，其中转子旋转引起的离心力对空气散热的影响也作为影响因子进行了计算。等效风路法存在不能较准确地反映物理实质的问题。

(3)   动网格模型

动网格模型可以用来模拟流场形状由于边界运动而随时间改变的问题，边界的运动形式可以是预先定义的运动，也可以是预先未定义的运动。网格的更新过程根据每个迭代步中边界的变化情况自动完成，在每一个时间步必须对局部或全域的网格进行重新剖分，求解过程较为复杂，计算时间很长。采用基于局部网格重构法的非结构动网格技术可以处理含运动固体的流场数值模拟，得到一系列按时间顺序排列的流场数值计算结果；采用基于弹簧近似动网格方法进行动边界流动问题的求解。此种计算方法必须根据固体运动按时间步迭代求解，模型重新剖分给计算带来较大困难，且计算时间较长。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供的一种电机在电磁场-流场-温度场耦合计算中的建模方法，它能解决旋转的速度载荷无法直接施加在电机转子与空气隙交界面上，所导致的转子部分温度值计算困难，从而使电机内温升数据难以快速、准确得出的问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种电机在电磁场-流场-温度场耦合计算中的建模方法，它包括以下步骤：

（1）建立电机的有限元计算模型，进行电磁场数值计算，得到各单元焦耳热损耗；

（2）把转子计算域设置为多组分流体计算域，建立空气、转子导体、转子铁心模型的流体计算域；

（3）对转子计算域施加旋转速度载荷，在相应的模型计算域中进行流场数值计算，得到各节点流体运动速度；

（4）将从电磁场数值计算中以及从多组分流体各部分计算域中求得的结果作为载荷加载到温度场中进行求解计算，得到温度结果。

在步骤（1）中，进行电磁场数值计算所采用的方程为电磁场方程，通过该方程求得单元焦耳热。

在步骤（2）中，将转子部分假设为流体，设置所述三种流体成分的材料属性，包括空气、转子导体、转子铁心的密度、导热率、粘性系数、比热。

其中作为流体进行计算的转子导体及转子铁心其粘性系数无需设置。

在步骤（3）中，对空气、转子计算域下的连续性方程、Navier-Stokes方程进行求解得到各节点流体运动速度。

采用上述方法，将转子计算域设置为多组分流体，这样将原本为固体的转子部分等效为流体后，能采用流体控制方程快速、方便的对转子部分进行处理及求解，这样不仅能对电机内各部分的热损耗进行全面、精确的计算，而且能大大降低计算的时间及计算的复杂度。

具体实施方式

本发明包括以下步骤：

（1）建立电机的有限元计算模型，进行电磁场数值计算，进行电磁场数值计算所采用的方程为Maxwell方程：

                 (1)

                                 (2)