[发明专利]混合励磁轴向磁场磁通切换电机的等效热网络建模方法

说明书

本发明公开了一种混合励磁轴向磁场磁通切换电机的等效热网络建模方法。该方法为：首先建立电机的三维传热模型和电机的等效热网络模型；然后计算电机的总发热量，并将热量分配给热源节点，根据不同散热条件下的传热学经验公式，计算各节点之间的换热系数；接着将各节点之间的传热等效为简单几何体之间传热，求出各节点之间的等效热阻；最后建立数学模型，选择合适的求解算法求解各节点的温升。本发明降低了求解电机内部部件温度的难度，具有简便快速且准确性高的优点。

技术领域

本发明涉及电机热网络的建模方法技术领域，特别是一种混合励磁轴向磁通切换电机的等效热网络建模方法。

背景技术

2007年，法国学者E.Hoang在磁通切换型永磁电机的基础上，提出了一种混合励磁磁通切换(Hybrid Excitation Flux-switching,HEFS)电机，这类电机具有良好的恒功率调速能力和转矩输出能力，引起了国际的广泛关注。与径向磁场电机相比，轴向磁场电机的转子铁芯利用率高、转矩密度高、轴向长度短且结构紧凑，更适用于高效率低转速的场合。

混合励磁轴向磁通切换电机兼备HEFS电机和轴向电机的优点，在恒功率、宽范围调速驱动以及恒压发电等工业领域具有较为广阔的发展前景(徐妲.混合励磁轴向磁场磁通切换电机设计、分析及控制研究[D].东南大学,2017)。林明耀教授提出一个12/10极的混合励磁轴向磁场磁通切换电机，电机采用双定子单转子结构，励磁绕组和永磁体都放置在定子上，推导了该电机的数学模型，基于分区控制策略研究了电机的工作特性(赵纪龙,林明耀,徐妲,金龙.混合励磁轴向磁场磁通切换电机弱磁控制[J].中国电机工程学报.2015,35(19):5059-5468)。

混合励磁轴向磁场磁通切换电机包含定转子铁芯损耗、电枢绕组铜耗以及永磁体涡流损耗三个主要发热源，内部生热量较大，传热和散热过程较为复杂。较高的温升很可能导致永磁体的不可逆退磁，并加速绕组线圈绝缘的老化，不仅影响混合励磁轴向磁场磁通切换电机的工作精度，还降低了电机的寿命。所以在电机设计以及优化阶段，准确计算电机在不同工作状态下的温度场分布是保证电机在实际应用中安全稳定运行的重要保证。

目前计算电机温升的方法主要有简化公式法、有限元计算法和等效热网络法。简化公式法计算简单，但是在电机温度计算时，对电机进行简化计算并提出大量假设，因此会忽略电机内部影响电机传热的因素，导致计算值与实际值存在一定的误差。

有限元计算方法是将求解区域划分成若干元素的集合，对每个单元进行分析，最后通过求解近似变分方程，获得求解域的数值解。有限元方法所需模型复杂，对于模型温度场的求解设置繁琐，计算过程中会占用大量电脑空间，对电脑配置要求高，求解时间长，不适合对于较为繁琐的结构进行计算。

而热网络法是将分析求解的对象分成若干单元节点，节点之间依靠虚拟的等效热阻传递热量。热量传递的方式不同，等效热阻的计算方法也不同。计算出每个节点之间的等效热阻之后，根据热流平衡原理，对每个节点建立热平衡方程，求出各个节点的温度。热网络法理论基础简单，所需模型简单，节点的热平衡方程组为线性方程组，易于求解，研究人员可以在所关心的区域添加节点，求解速度快。

现有文献中缺乏针对于混合励磁轴向磁场磁通切换电机的热网络的细化并忽略了对不同材料接触部位的接触热阻的分析与计算，这对电机热源的传递以及电机温度场的准确计算有很大的影响，并且现有文献中的等效热网络法多采用二维模型，因为对于常规电机而言，采用二维等效热网络可以较好地对整个电机进行温度场计算，但是，混合励磁轴向磁场磁通切换电机的温度场分布在轴向上并不一致，仅仅采用二维等效热网络已经不能正确反映电机的温升情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简便快速、准确性高的混合励磁轴向磁通切换电机的等效热网络建模方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种混合励磁轴向磁场磁通切换电机的等效热网络建模方法，包括以下步骤：