[发明专利]基于三维等效热网络模型的永磁球形电动机温升预测方法

摘要

本发明涉及一种基于三维等效热网络模型的永磁球形电动机温升预测方法，包括以下步骤(1)三维等效热网络模型的建立针对永磁球形电动机特殊的球状结构，建立符合其真实空间结构的三维等效热网络模型，(2)热源的确定将磁极损耗、定子线圈铜损耗、定子铝耗以及转子铝耗作为热源分布至三维等效热网络模型中的相应节点，(3)等效热阻的计算根据模型中各节点间不同类型的热量传播方式，将等效热阻分为三种传导热阻、对流热阻和辐射热阻，(4)数据采集，(5)模型中各节点的温升预测通过求解三维等效热网络模型，获得永磁球形电动机各节点的温度。本发明耗费时间短、易于操作且具有较高的准确性，对于结构复杂或不能采用二维热网络模型进行分析的系统具有很强的适用性。

主权项

一种基于三维等效热网络模型的永磁球形电动机温升预测方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：热网络模型的建立：永磁球形电动机的转子主体呈球形，采用硬铝制成，转子输出轴和法兰安装在转子球体上；转子球体上安装有6块按N、S极交替排列的转子磁极；转子磁极由稀土永磁材料NdFeB加工而成；永磁球形电动机的定子绕组采用铜制漆包线，为集中式绕组，定子绕组均匀致密地缠绕在定子铝心上，呈圆筒状，并通过该铝心安装在定子球壳上；定子绕组共有54个，分为3层，各层分别沿定子球面的一条纬线均匀分布，这三条纬线分别是赤道、北纬22.5°和南纬22.5°；由于永磁球形电动机几何对称，选取永磁球形电动机整体的1/18为研究对象，剩余的17/18与该研究对象的发热情况完全相同，依据永磁球形电动机特殊的球状结构，建立符合其真实空间结构的三维等效热网络模型，模型包括四部分：单个磁极的1/3、单个定子绕组、单个定子铝心，细化前三部分的节点；第二步：热源的确定及热量的分配：磁极涡流损耗Pe包括单一损耗P1与复合损耗P2两部分，其表达式为Pe＝P1+P2；磁极磁滞损耗其中Kh为磁滞损耗系数，D是磁极材料的密度，f为相电流基波磁动势交变频率，u为定子相电流各次时间谐波次数，B1,u、B2,u和B3,u为定子相电流u次时间谐波产生的三个磁密分量，V为单个磁极体积的1/3，t为时间变量，T为转子旋转一周所用时间；定子绕组铜损耗其中ρCu为铜的电阻率，N为单个定子绕组匝数，l为定子绕组每匝线圈长度的平均值，Ss是定子绕组导线截面积，Iu为定子相电流u次时间谐波幅值；铝损耗包括定子铝损耗PD，即定子铝心损耗PD1和定子铝壳损耗PD2，与转子铝心损耗PZ；忽略机械损耗；将磁极的总发热量P＝Pe+Ph分配到磁极中的节点；定子绕组被均匀分为12个节点，将定子绕组整体的发热量平均分配给这12个热源节点，即每个节点发热量均为PCu/12；定子铝心被均匀分成3个节点，将定子铝心整体的发热量平均分配给这3个热源节点，即每个节点发热量均为PD1/3；转子铝心被均匀分为紧挨磁极的上下2个节点，将转子铝心整体的发热量平均分配给这2个热源节点，即每个节点发热量均为PZ/12；定子铝壳被均匀分成5个节点，将定子铝壳整体的发热量平均分配给这5个热源节点，即每个节点发热量均为PD2/5；第三步：等效热阻的计算：等效热网络模型中各节点之间由等效热阻相连，永磁球形电动机中损耗产生的热量通过等效热阻进行传递，根据模型中各节点间不同类型的热量传播方式，将等效热阻分为三种：传导热阻R1＝L/k/A1，其中L为传导路径的长度，A1为热传导面积，k为材料的导热系数；对流热阻R2＝1/hc/A2，其中A2为热交换面积，hc为对流传热系数；辐射热阻R3＝1/hr/A3，其中A3为热辐射面积，hr为辐射传热系数；其中，磁极与转子腔之间为传导热阻；磁极与转子铝心之间为传导热阻；定子绕组与磁极之间为对流热阻；定子铝心与磁极之间为对流热阻；定子绕组与定子铝心之间为传导热阻；定子绕组与定子铝壳之间为传导热阻；定子铝心与定子铝壳之间为传导热阻；定子铝壳与外界之间为对流热阻与辐射热阻；第四步：数据采集：在进行温升预测的时候，采集所述永磁球形电动机的定子相电流，采集外界温度值；第五步：热网络中节点的温升预测：永磁球形电动机各节点温度的热力学方程为其中[G]为热网络的热导矩阵，[P]为各节点的损耗列向量，[C]为热网络的热容矩阵，[T]为各节点的温升列向量，t为时间变量，利用MATLAB编写程序进行计算，可得热网络中各节点的温升情况。