基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型

摘要

本发明公开一种基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型，针对无轴承开关磁阻电机稳态温度场计算问题，将无轴承开关磁阻电机各部分采用等效的热阻和细分的热源建模，其中仅定子内表面与气隙空气对流传热热阻、气隙空气与转子外表面对流传热热阻需通过计算流体动力学求解，电机机壳与环境对流换热热阻、定子铁心与机壳接触热阻、绕组绝缘材料传热热阻需通过无轴承开关磁阻电机直流温升测试确定与校准，其余热阻均可通过电机尺寸与材料导热系数解析计算，本发明建立的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场简化模型将双凸极定、转子齿部与轭部及两套绕组热源细分建模，且需整定的热阻参数少，在保证模型工程精度基础上，简化了双绕组无轴承开关磁阻电机温度场计算。

说明书

技术领域

本发明涉及电机热分析领域，特别是涉及一种双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型。

背景技术

无轴承开关磁阻电机具有传统开关磁阻电机转子耐热、电机容错性高的特点，并结合了主动磁轴承的思想，实现转子无轴承支撑，大幅提高电机转速。然而无轴承开关磁阻电机绝缘性能与其热性能直接相关，其工作寿命也受到电机最大温升影响，因此无轴承开关磁阻电机热分析问题逐步受到国内外广泛关注。

目前，从国内外文献可知，暂无针对双绕组无轴承开关磁阻电机热分析的研究与应用，已有文献建立了传统开关磁阻电机温度场模型，但模型待整定参数较多，且双绕组结构的无轴承开关磁阻电机较传统开关磁阻电机不同，其定子绕组由主绕组和产生悬浮力所需的悬浮绕组构成，目前尚未有文献研究无轴承开关磁阻电机两套绕组铜损对其热性能的影响，此外也有采用有限元法和计算流体动力学方法的电机热分析方法，此类方法精度较高，但所花费的计算时间远高于热路模型，对于无轴承开关磁阻电机热性能设计与优化等方面应用并不适宜。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明针对双绕组无轴承开关磁阻电机稳态温度计算问题，公开一种基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型，其中针对无轴承开关磁阻电机双凸极特点，将其定、转子齿部与轭部铁心损耗热源细分，同时将主绕组、悬浮绕组铜损热源细分，保证了双绕组无轴承开关磁阻电机热分析精度和模型求解速度。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型，双绕组无轴承开关磁阻电机的热阻独立设置，定子齿部、定子轭部、转子齿部和转子轭部的铁心损耗热源分别独立设置，主绕组和悬浮绕组分别为独立设置的铜损热源，保证了双绕组无轴承开关磁阻电机热分析精度和模型求解速度。

一种基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型，包括电机机壳与环境对流换热热阻R_{case_amb}，定子铁心与机壳接触热阻R_{sy_case}，端盖与电机内部空气对流热阻R_{cap_ia}，端盖与主绕组接触热阻R_{case_mwin}，端盖与悬浮绕组接触热阻R_{case_swin}，定子轭部径向传热热阻R_{sy_2r}、R_{sy_1r}和R_{sy_3r}，定子齿部径向传热热阻R_{sp_2r}、R_{sp_1r}和R_{sp_3r}，主绕组、悬浮绕组与电机内部空气对流热阻R_{ia_mwin}、R_{ia_swin}，主绕组、悬浮绕组绝缘材料传热热阻R_{Insul_m}、R_{Insul_s}，定子内表面与气隙空气对流传热热阻R_{sp_air}，气隙空气与转子外表面对流传热热阻R_{air_rp}，转子齿部径向传热热阻R_{rp_2r}、R_{rp_1r}和R_{rp_3r}，转子轭部径向传热热阻R_{ry_2r}、R_{ry_1r}和R_{ry_3r}，转轴传热热阻R_{ry_shaft}；

定子齿部、定子轭部、转子齿部和转子轭部分别为独立的铁心损耗热源包括：定子轭部铁心损耗热源P_sy，定子齿部铁心损耗热源P_sp，转子齿部铁心损耗热源P_rp和转子轭部铁心损耗热源P_ry；

主绕组和悬浮绕组分别为独立的铜损热源，包括主绕组铜损热源P_{copper_m}和悬浮绕组铜损热源P_{copper_s}；

所述电机机壳与环境对流换热热阻R_{case_amb}的一端与环境温度T_amb的测量装置相连，另一端与热阻R_{sy_case}、R_{cap_ia}、R_{case_mwin}、R_{case_sw}和R_{ry_shaft}相连，热阻R_{sy_case}与R_{sy_2r}相连，热阻R_{cap_ia}与R_{ia_mwin}、R_{ia_swin}相连，热阻R_{sy_1r}与R_{sp_2r}相连，热源P_{copper_m}与热阻R_{case_mwin}、R_{ia_mwin}、R_{Insul_m}相连，热源P_{copper_s}与热阻R_{case_swin}、R_{ia_swin}、R_{Insul_s}相连，热阻R_{sp_1r}与R_{Insul_m}、R_{Insul_s}、R_{sp_air}相连，热阻R_{sp_air}与R_{air_rp}相连，热阻R_{air_rp}与R_{rp_2r}相连，热阻R_{rp_1r}与R_{ry_2r}相连，热阻R_{ry_1r}与R_{ry_shaft}相连；热阻R_{sy_2r}、R_{sy_1r}、R_{sy_3r}与热源P_sy构成T型径向传热网络，热阻R_{sp_2r}、R_{sp_1r}、R_{sp_3r}与热源P_sp构成T型径向传热网络，热阻R_{rp_2r}、R_{rp_1r}、R_{rp_3r}与P_rp构成T型径向传热网络，热阻R_{ry_2r}、R_{ry_1r}、R_{ry_3r}与热源P_ry构成T型径向传热网络。

所述定子轭部径向传热热阻R_{sy_2r}、R_{sy_1r}和R_{sy_3r}计算公式为：

其中，k_r为铁心材料径向传热系数，L为铁心叠长，R₁为定子外半径，R₂为定子轭半径；

所述定子齿部径向传热热阻R_{sp_2r}、R_{sp_1r}和R_{sp_3r}计算公式为：

其中，R为定子内径。

所述转子齿部径向传热热阻R_{rp_2r}、R_{rp_1r}和R_{rp_3r}计算公式为：

其中r为转子外半径，r_y为转子轭半径；

所述转子轭部径向传热热阻R_{ry_2r}、R_{ry_1r}和R_{ry_3r}计算公式为：

其中r_shaft为转子内径。

所述端盖与电机内部空气对流热阻R_{cap_ia}计算公式为：

其中h_{cap_ia}为端盖与内部空气换热系数，A_{cap_ia}为端盖截面积；

A_{cap_ia}＝2π(R₁+t_ec)²>

其中t_ec为电机外壳厚度。

所述端盖与主绕组接触热阻R_{case_mwin}和端盖与悬浮绕组接触热阻R_{case_swin}计算公式为：

其中k_air为空气传热系数，L_ec为电机机壳轴向长度，α_reduction为小于1的修正系数，h_sy为定子轭厚；

所述主绕组与电机内部空气对流热阻R_{ia_mwin}和悬浮绕组与电机内部空气对流热阻R_{ia_swin}计算公式为：

其中h_{ia_win}为空气与绕组换热系数，A_{ia_win}为端部绕组等效表面积；

A_{ia_win}＝(L_ec-L)2πR>

所述转轴传热热阻R_{ry_shaft}(124)由下式计算：

其中L_shaft为转轴长度。

所述定子内表面与气隙空气对流传热热阻R_{sp_air}由下式计算：

其中h_{air_s}为定子内表面与气隙空气对流传热系数，通过计算流体动力学方法数值求解，A_si为定子内表面面积；

所述气隙空气与转子外表面对流传热热阻R_{air_rp}由下式计算：

其中h_{air_r}为气隙空气与转子外表面对流传热系数，需通过计算流体动力学方法数值求解，A_ro为转子外表面面积。

所述定子铁心与机壳接触热阻R_{sy_case}初值计算公式为：

其中l_ig为机壳与定子外表面装配缝隙长度；

所述主绕组、悬浮绕组绝缘材料传热热阻R_{Insul_m}、R_{Insul_s}初值计算公式为：

其中A_slot为定子槽内表面面积，t_eq为定子槽中空气与绝缘材料等效厚度，计算公式为：

S_slot为定子槽截面积，S_win为绕组截面积，l_slot为定子槽周长，k_cu,ir为定子齿槽绝缘材料等效导热系数。

所述电机机壳与环境对流换热热阻R_{case_amb}，定子铁心与机壳接触热阻R_{sy_case}，主绕组、悬浮绕组绝缘材料传热热阻R_{Insul_m}、R_{Insul_s}通过无轴承开关磁阻电机直流温升测试确定与校准。

本发明的有益效果包括：

本发明公开一种基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型，采用了将定、转子齿部与轭部铁心损耗热源细分的建模方法，同时将主绕组、悬浮绕组铜损热源细分，减少了所需整定的热阻参数，保证了双绕组无轴承开关磁阻电机热分析精度和模型求解速度，实现了双绕组无轴承开关磁阻电机温度场计算与热分析。

本发明针对无轴承开关磁阻电机稳态温度场计算问题，将无轴承开关磁阻电机各部分采用等效的热阻和细分的热源建模，其中仅定子内表面与气隙空气对流传热热阻、气隙空气与转子外表面对流传热热阻需通过计算流体动力学求解，电机机壳与环境对流换热热阻、定子铁心与机壳接触热阻、绕组绝缘材料传热热阻需通过无轴承开关磁阻电机直流温升测试确定与校准，其余热阻均可通过电机尺寸与材料导热系数解析计算，本发明建立的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场简化模型将双凸极定、转子齿部与轭部及两套绕组热源细分建模，且需整定的热阻参数少，在保证模型工程精度基础上，简化了双绕组无轴承开关磁阻电机温度场计算。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；

图1为本发明一种基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型结构图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法达成目的与功效，且为了使该评价方法易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，一种基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型，双绕组无轴承开关磁阻电机的热阻独立设置，定子齿部、定子轭部、转子齿部和转子轭部的铁心损耗热源分别独立设置，主绕组和悬浮绕组分别为独立设置的铜损热源，保证了双绕组无轴承开关磁阻电机热分析精度和模型求解速度。

一种基于热源细分的双绕组无轴承开关磁阻电机温度场模型，包括电机机壳与环境对流换热热阻R_{case_amb}101，定子铁心与机壳接触热阻R_{sy_case}102，端盖与电机内部空气对流热阻R_{cap_ia}103，端盖与主绕组接触热阻R_{case_mwin}104，端盖与悬浮绕组接触热阻R_{case_swin}105，定子轭部径向传热热阻R_{sy_2r}106、R_{sy_1r}107和R_{sy_3r}108，定子齿部径向传热热阻R_{sp_2r}109、R_{sp_1r}110和R_{sp_3r}111，主绕组、悬浮绕组与电机内部空气对流热阻R_{ia_mwin}112、R_{ia_swin}113，主绕组、悬浮绕组绝缘材料传热热阻R_{Insul_m}114、R_{Insul_s}115，定子内表面与气隙空气对流传热热阻R_{sp_air}116，气隙空气与转子外表面对流传热热阻R_{air_rp}117，转子齿部径向传热热阻R_{rp_2r}118、R_{rp_1r}119和R_{rp_3r}120，转子轭部径向传热热阻R_{ry_2r}121、R_{ry_1r}122和R_{ry_3r}123，转轴传热热阻R_{ry_shaft}124；

定子齿部、定子轭部、转子齿部和转子轭部分别为独立的铁心损耗热源包括：定子轭部铁心损耗热源P_sy201，定子齿部铁心损耗热源P_sp202，转子齿部铁心损耗热源P_rp203和转子轭部铁心损耗热源P_ry204；

主绕组和悬浮绕组分别为独立的铜损热源，包括主绕组铜损热源P_copper_m205和悬浮绕组铜损热源P_{copper_s}206；

电机机壳与环境对流换热热阻R_{case_amb}101的一端与环境温度T_amb的测量装置相连，另一端与热阻R_{sy_case}102、R_{cap_ia}103、R_{case_mwin}104、R_{case_swin}105和R_{ry_shaft}124相连，热阻R_{sy_case}102与R_{sy_2r}106相连，热阻R_{cap_ia}103与R_{ia_mwin}112、R_{ia_swin}113相连，热阻R_{sy_1r}107与R_{sp_2r}109相连，热源P_{copper_m}205与热阻R_{case_mwin}104、R_{ia_mwin}112、R_{Insul_m}114相连，热源P_{copper_s}206与热阻R_{case_swin}105、R_{ia_swin}113、R_{Insul_s}115相连，热阻R_{sp_1r}110与R_{Insul_m}114、R_{Insul_s}115、R_{sp_air}116相连，热阻R_{sp_air}116与R_{air_rp}117相连，热阻R_{air_rp}117与R_{rp_2r}118相连，热阻R_{rp_1r}119与R_{ry_2r}121相连，热阻R_{ry_1r}122与R_{ry_shaft}124相连；热阻R_{sy_2r}106、R_{sy_1r}107、R_{sy_3r}108与热源P_sy201构成T型径向传热网络，热阻R_{sp_2r}109、R_{sp_1r}110、R_{sp_3r}111与热源P_sp202构成T型径向传热网络，热阻R_{rp_2r}118、R_{rp_1r}119、R_{rp_3r}120与P_rp203构成T型径向传热网络，热阻R_{ry_2r}121、R_{ry_1r}122、R_{ry_3r}123与热源P_ry204构成T型径向传热网络。

定子轭部径向传热热阻R_{sy_2r}106、R_{sy_1r}107和R_{sy_3r}108计算公式为：

其中，k_r为铁心材料径向传热系数，L为铁心叠长，R₁为定子外半径，R₂为定子轭半径；

定子齿部径向传热热阻R_{sp_2r}109、R_{sp_1r}110和R_{sp_3r}111计算公式为：

其中，R为定子内径。

转子齿部径向传热热阻R_{rp_2r}118、R_{rp_1r}119和R_{rp_3r}120计算公式为：

其中r为转子外半径，r_y为转子轭半径；

转子轭部径向传热热阻R_{ry_2r}121、R_{ry_1r}122和R_{ry_3r}123计算公式为：

其中r_shaft为转子内径。

端盖与电机内部空气对流热阻R_{cap_ia}103计算公式为：

其中h_{cap_ia}为端盖与内部空气换热系数，A_{cap_ia}为端盖截面积；

A_{cap_ia}＝2π(R₁+t_ec)²>

其中t_ec为电机外壳厚度。

端盖与主绕组接触热阻R_{case_mwin}104和端盖与悬浮绕组接触热阻R_{case_swin}105计算公式为：

其中k_air为空气传热系数，L_ec为电机机壳轴向长度，α_reduction为小于1的修正系数，h_sy为定子轭厚；

主绕组与电机内部空气对流热阻R_{ia_mwin}112和悬浮绕组与电机内部空气对流热阻R_{ia_swin}113计算公式为：

其中h_{ia_win}为空气与绕组换热系数，A_{ia_win}为端部绕组等效表面积；

A_{ia_win}＝(L_ec-L)2πR>

转轴传热热阻R_{ry_shaft}124由下式计算：

其中L_shaft为转轴长度。

定子内表面与气隙空气对流传热热阻R_{sp_air}116由下式计算：

其中h_{air_s}为定子内表面与气隙空气对流传热系数，通过计算流体动力学方法数值求解，A_si为定子内表面面积；

气隙空气与转子外表面对流传热热阻R_{air_rp}117由下式计算：

其中h_{air_r}为气隙空气与转子外表面对流传热系数，需通过计算流体动力学方法数值求解，A_ro为转子外表面面积。

定子铁心与机壳接触热阻R_{sy_case}102初值计算公式为：

其中l_ig为机壳与定子外表面装配缝隙长度，其初值取0.037mm；

主绕组、悬浮绕组绝缘材料传热热阻R_{Insul_m}114、R_{Insul_s}115初值计算公式为：

其中A_slot为定子槽内表面面积，t_eq为定子槽中空气与绝缘材料等效厚度，计算公式为：

S_slot为定子槽截面积，S_win为绕组截面积，l_slot为定子槽周长，k_cu,ir为定子齿槽绝缘材料等效导热系数。

电机机壳与环境对流换热热阻R_{case_amb}101，定子铁心与机壳接触热阻R_{sy_case}102，主绕组、悬浮绕组绝缘材料传热热阻R_{Insul_m}114、R_{Insul_s}115通过无轴承开关磁阻电机直流温升测试确定与校准。

本领域内的技术人员可以对本发明进行改动或变型的设计但不脱离本发明的思想和范围。因此，如果本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同的技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。