一种绕组分层的二维-三维混合热网络分析方法

本发明涉及一种绕组分层的二维-三维混合热网络分析方法，属于高速永磁电机温度场分析设计。

背景技术：

1、定子永磁型电机因其转子结构简单、机械强度高及耐热性好等优势，在航空航天、分布式发电机、精密制造以及飞轮储能等高速领域应用前景广阔。然而，由于其绕组和永磁体均安装在定子上，热源比较集中，加之高速运行工况，定子永磁型电机，特别是双转子定子永磁型电机，定子温度极易升高，过高的温升会对电机性能产生不利影响，甚至导致永磁体不可逆退磁及绕组绝缘失效现象发生。因此，为保证电机安全稳定运行，快速准确的温度场分析至关重要。

2、作为一种快捷、高效的温度场的计算方法，热网络法在电机温度场分析中得到了广泛应用。然而，目前存在的热网络法中，二维热网络法模型构建简单，计算速度快，但是这种方法存在计算精度偏低的问题。而三维热网络法计算精度高，但是又存在模型构建复杂、计算量大、计算效率较低的问题。因此，目前采用的热网络法存在计算速度和计算精度之间的矛盾。

3、此外，电机定子绕组及绝缘结构复杂，绕组为散线结构，多股铜线不规则排列；槽部填充材料复杂，其等效导热系数与绕组的绕制特点、浸渍效果及有无气泡等多种因素有关，很难准确建模及计算。为了便于分析，需要对定子绕组进行等效处理。目前，通常将槽内所有绝缘材料等效为一个紧贴槽壁的绝缘层，全部铜线等效为一个铜棒导热体的单层等效模型，置于槽中心，从而形成单层等效模型。这种单层等效模型虽然方便了温度场的计算和仿真，但是无法真实反映槽中心处与靠近槽壁处绕组由于散热条件不同而造成的温度差异。绕组的真实模型和单层等效模型都无法兼顾灵活性和准确性，存在一定的弊端，使得槽内温度场的分析变得困难。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决现有的温度场计算方法存在计算速度和计算精度难以兼顾，以及单层等效模型存在准确性差的问题，提供了一种绕组分层的二维-三维混合热网络分析方法。

2、本发明所述的一种绕组分层的二维-三维混合热网络分析方法，它包括

3、s1、根据电机的结构、尺寸和材料属性，搭建电机二维限元仿真模型；

4、s2、根据电机二维限元仿真模型，计算电机各零部件的损耗，依据各零部件损耗引起发热获得热源分布；

5、s3、将电机按照结构划分为多个区域，各区域之间通过节点进行连接，对各个区域进行分析获得热传机理；

6、s4、根据热源分布和热传机理，分别建立各区域的等效热网络模型，

7、其中，电机绕组等效为由导体和绝缘层组成的相互交叉的多层结构，电机的转子齿和电枢绕组端部建立三维等效热网络模型，其余部分建立二维等效热网络模型，获得绕组分层的二维-三维混合热网络模型；

8、s5、根据绕组分层的二维-三维混合热网络模型，计算各区域之间节点的温度，即获得对应的零部件的温度。

9、优选的，s1所述的电机二维限元仿真模型为ansys电磁场仿真模型。

10、优选的，s3所述对各个区域进行分析获得热传机理还包括：对复杂区域进行散热与传热等效简化。

11、优选的，所述对复杂区域进行散热与传热等效简化的具体方法包括：

12、通过热辐射传递的热量qrad为：

13、

14、其中，ε表示相对辐射率，σ表示斯蒂芬-玻尔兹曼常数，a表示辐射散热的截面积，fg表示形状系数，ts表示零件表面温度，t表示环境温度，λ表示辐射散热系数；

15、通过热对流传递的热量qconv为：

16、qconv＝αa(ts-t∞)；

17、其中，α表示对流散热系数，t∞表示隙的上游温度；

18、等效边界散热系数h为：

19、h＝λ+α；

20、根据等效边界散热系数h对复杂区域进行散热与传热等效简化。

21、优选的，s4所述电机绕组等效为由导体和绝缘组成的相互交叉的多层结构的具体方法包括：

22、导体和绝缘层分别等效为方形导热体；

23、槽绕组面积aw为：

24、

25、其中，nt表示导线并绕根数，ns表示每槽导体数，r表示导线半径；

26、槽有效面积as为：

27、

28、其中，sf表示槽满率；

29、每个方形导热体所占面积a为：

30、

31、相邻间距δ为：

32、

33、绕组从槽壁至槽中心平行于槽壁排布，则第i层的周长li为：

34、li＝la-i·π(2r+δ)；

35、其中，la表示槽周长；

36、第i层的导体数ni为：

37、

38、层数与总导体数的关系为：

39、

40、选取层数；

41、根据层数获得由导体和绝缘组成的相互交叉的多层结构。

42、优选的，所述选取层数为2层。

43、本发明提出的一种绕组分层的二维-三维混合热网络分析方法，具有如下优点：

44、1、建立了将二维热网络模型和三维热网络模型相结合的热网络模型，具有计算精度高、计算速度快等优点。

45、与二维热网络模型相比，该模型具有相当的计算速度，以及更高的计算精度。

46、与三维热网络模型相比，该模型具有相当的计算精度，以及较快的计算速度。

47、2、该模型将电机绕组等效为由导体和绝缘组成的相互交叉的多层结构，能够在保证计算量适中的情况下更加真实地反映槽内绕组的温度分布情况。

技术特征：

1.一种绕组分层的二维-三维混合热网络分析方法，其特征在于，它包括

2.根据权利要求1所述的一种绕组分层的二维-三维混合热网络分析方法，其特征在于，s1所述的电机二维限元仿真模型为ansys电磁场仿真模型。

3.根据权利要求1所述的一种绕组分层的二维-三维混合热网络分析方法，其特征在于，s3所述对各个区域进行分析获得热传机理还包括：对复杂区域进行散热与传热等效简化。

4.根据权利要求3所述的一种绕组分层的二维-三维混合热网络分析方法，其特征在于，所述对复杂区域进行散热与传热等效简化的具体方法包括：

5.根据权利要求1所述的一种绕组分层的二维-三维混合热网络分析方法，其特征在于，s4所述电机绕组等效为由导体和绝缘组成的相互交叉的多层结构的具体方法包括：

6.根据权利要求5所述的一种绕组分层的二维-三维混合热网络分析方法，其特征在于，所述选取层数为2层。

技术总结
一种绕组分层的二维‑三维混合热网络分析方法，属于高速永磁电机温度场分析设计技术领域，为解决现有温度场计算方法存在计算速度和精度难以兼顾、单层等效模型存在准确性差的问题。包括：搭建电机二维限元仿真模型，计算各零部件损耗，获得热源分布；将电机划分为多个区域，各区域之间通过节点进行连接，对各区域进行分析获得热传机理；分别建立各区域等效热网络模型，电机绕组等效为由导体和绝缘层组成的相互交叉的多层结构，电机转子齿和电枢绕组端部建立三维等效热网络模型，其余部分建立二维等效热网络模型，获得绕组分层的二维‑三维混合热网络模型；计算各区域之间节点温度，即获得对应的零部件温度。用于对电机的温度场进行计算和仿真。

技术研发人员：吴绍朋,严作光,赵宇兰,钭楚杰,杨世臣,杨雨彬
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5