高速充油电机转子油摩损耗计算方法技术

高速充油电机转子油摩损耗计算方法，属于电机领域。方法是：建立电机电磁与温度场耦合的有限元仿真模型，利用该模型得到以电机可优化参数[E]为自变量、充油电机工作温度T为因变量的多元函数关系；建立流体粘度与电机可优化参数[E]的复合函数关系；依据流体与转子摩擦损耗分析机理，得到雷诺数Re与流体粘度的函数关系，及雷诺数Re与电机可优化参数[E]的函数关系；结合雷诺数Re的解析表达得到流体摩擦损耗的解析计算模型；在仿真模型中设置轴向流速，与解析计算结果进行对比，并引入修正系数，得到考虑轴向流动下的油摩损耗解析计算模型；利用多元函数最值理论，得到油摩损耗与电机可优化参数[E]的变化关系。本发明专利技术用于高速充油电机转子油摩损耗计算。电机转子油摩损耗计算。电机转子油摩损耗计算。

【技术实现步骤摘要】
高速充油电机转子油摩损耗计算方法


[0001]本专利技术属于电机领域，具体涉及一种高速充油电机转子油摩损耗计算方法。

技术介绍

[0002]航天器设备在废气排放时会浪费大量的能量，为了对这部分能量进行利用，同时减小航天器中电源模块的负载压力，在航天器的供电系统中加入可对废气进行再利用的涡轮发电系统。然而航天器具有姿态不固定的特殊性，发电系统中的发电机的冷却回路无法正常设计，因此，采用充油冷却的方式。这种冷却方式下，气隙间充满冷却油，发电机在高速运行时，会产生很大的转子油摩损耗，严重降低发电机的发电效率。针对电机转子油摩损耗的计算方式一般有解析法和有限元仿真两种。其中解析法速度快，但由于未考虑轴向流动等实际工况，导致计算结果与实际工况的误差较大。而有限元仿真的方法虽然能较大程度上模拟实际工况，计算出更准确的结果，但是，流体仿真的时间比较长，这就导致针对油摩损耗的电机优化进展受限于仿真时间。目前尚无接近仿真结果的解析算法，这也成为提高高速电机转子油摩损耗计算速度的主要技术限制之一。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的为解决充油电机针对油摩损耗的电机优化无法同时实现计算速度快、结果准确的问题，提出了一种高速充油电机转子油摩损耗计算方法。
[0004]本专利技术的方法为一种对解析计算方法的推导与修正，可以使其结果更接近有限元仿真计算结果(实际结果)。本专利技术依据流体力学理论，考虑高速的流体湍流现象与电机气隙中冷却油的轴向流动，对电机转子油摩损耗的解析公式引入修正系数，修正系数可通过有限次的有限元仿真结果进行拟合，最终得到结果更为精准的油摩损耗计算公式(即多元函数表达)。
[0005]实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0006]高速充油电机转子油摩损耗计算方法，所述方法包括以下步骤：
[0007]A、利用有限元分析软件建立电机电磁与温度场耦合的有限元仿真模型，利用有限元仿真模型得到以电机可优化参数[E]为自变量、充油电机工作温度T为因变量的多元函数关系；
[0008]B、根据流体粘度与温度的关系，建立流体粘度与上述步骤A中电机可优化参数[E]的复合函数关系；
[0009]C、依据电机转子气隙流体与转子摩擦损耗的分析机理，得到在电机转子气隙切向流动的工作条件下，无量纲的库艾特雷诺数Re与上述步骤B中流体粘度的函数关系，进一步得到所述雷诺数Re与电机可优化参数[E]的函数关系，并同时判断流体的流动状态；
[0010]D、由于流体摩擦在层流状态与湍流状态的公式不同，所以要根据步骤C中的流体的流动状态判断采用层流或湍流的计算公式，结合步骤C中雷诺数Re的解析表达得到流体摩擦损耗的解析计算模型；
[0011]E、进行与上述解析计算模型相同参数的有限元仿真，并在仿真模型中设置解析计算中未考虑的轴向流速，与步骤D中解析计算结果进行对比，并在步骤D中解析计算模型基础上引入修正系数K，得到考虑轴向流动下的油摩损耗解析计算模型；利用多元函数最值理论，得到油摩损耗与电机可优化参数[E]的变化关系。
[0012]进一步的是，步骤A具体为：
[0013]流体粘度随充油电机工作温度T升高而减小，所以需要先考虑到电机可优化参数对温度场的影响，通过有限元仿真的温度场计算，改变电机可优化参数，得到充油电机工作温度随电机可优化参数的关系，见式(3)；
[0014]T＝Fun([E])
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(3)
[0015]其中，Fun()为多元函数关系，T为充油电机工作温度，[E]为对电机电磁性能有影响的电机可优化参数。
[0016]进一步的是，步骤B中，利用式(4)建立流体粘度与上述步骤A中电机可优化参数的复合函数关系；
[0017]μ＝F(T)
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(4)
[0018]其中，μ为流体粘度，F(T)为电机可优化参数的复合函数。
[0019]进一步的是，步骤C具体为：
[0020]流体的流动性质是由惯性力和粘滞力间的比例决定的，用无量纲的库艾特雷诺数Re来描述，在电机转子气隙切向流动的工作条件下，所述雷诺数Re与流体粘度的函数关系通过式(5)表示；结合上述充油电机工作温度T的影响，通过式(6)进一步得到雷诺数Re与电机可优化参数函数(多元函数)关系；
[0021][0022]Re＝Fun(ρ,ω,r,δ,μ(T([E]))) (6)
[0023]其中，ρ为流体密度，ω为角速度，r为转子半径，δ为气隙长度，μ为流体粘度；
[0024]若Re低于2000，流体沿同一方向流动，为层流状态；流速进一步增大，流动中会出现速度波动；若Re高于2300，则变成湍流状态。
[0025]进一步的是，步骤D中，湍流状态时流体的摩擦系数C
f
通过式(7)计算；
[0026][0027]其中，σ为流体切向应力，v为流体流动速度；
[0028]因流体切向应力σ代表点的力，对产生力的气隙圆柱面进行积分，得到整个圆柱面受到的力F，见式(8)；联合式(7)和式(8)得到摩擦转矩T
m
的表达式，见式(9)；以及得到流体摩擦损耗P
m
的解析计算模型，见式(10)；
[0029]F＝2σπrl
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(8)
[0030]T
m
＝C
f
ρπω2r4l
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(9)
[0031]P
m
＝C
f
ρπω3r4l
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(10)
[0032]其中，l为轴向长度。
[0033]进一步的是，步骤E中，将上述解析计算参数输入到有限元仿真模型中，作为初始条件，并加入流体的轴向流速，将仿真结果与上述解析计算结果进行对比，在解析计算模型
式(10)中引入修正系数K，得到考虑轴向流速下的油摩损耗解析计算模型式(11)；
[0034]P
m
＝KC
f
ρπω3r4l
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(11)
[0035]针对式(11)中的修正系数K和摩擦系数C
f
确定式(12)和式(13)；修正系数K通过改变有限元仿真中的轴向流速V
l
、其它变量[M]得到拟合函数曲线，其中[M]包含了与流体力学有关的电机结构参数；
[0036]C
f
＝Fun(T,Re,r,δ)
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(12)
[0037]K＝Fun(V
l
,[M])
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(13)
[0038]结合式(6)、(11)、(12)、(13)通过式(14)得到油摩损耗与电机可优化参数的变化关系；
[0039]P
m
＝Fun(T([E]),[E],V
l
,[M])
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(14)
[0040]式(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速充油电机转子油摩损耗计算方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：A、利用有限元分析软件建立电机电磁与温度场耦合的有限元仿真模型，利用有限元仿真模型得到以电机可优化参数[E]为自变量、充油电机工作温度T为因变量的多元函数关系；B、根据流体粘度与温度的关系，建立流体粘度与上述步骤A中电机可优化参数[E]的复合函数关系；C、依据电机转子气隙流体与转子摩擦损耗的分析机理，得到在电机转子气隙切向流动的工作条件下，无量纲的库艾特雷诺数Re与上述步骤B中流体粘度的函数关系，进一步得到所述雷诺数Re与电机可优化参数[E]的函数关系，并同时判断流体的流动状态；D、由于流体摩擦在层流状态与湍流状态的公式不同，所以要根据步骤C中的流体的流动状态判断采用层流或湍流的计算公式，结合步骤C中雷诺数Re的解析表达得到流体摩擦损耗的解析计算模型；E、进行与上述解析计算模型相同参数的有限元仿真，并在仿真模型中设置解析计算中未考虑的轴向流速，与步骤D中解析计算结果进行对比，并在步骤D中解析计算模型基础上引入修正系数K，得到考虑轴向流动下的油摩损耗解析计算模型；利用多元函数最值理论，得到油摩损耗与电机可优化参数[E]的变化关系。2.根据权利要求1所述的高速充油电机转子油摩损耗计算方法，其特征在于：步骤A具体为：流体粘度随充油电机工作温度T升高而减小，所以需要先考虑到电机可优化参数对温度场的影响，通过有限元仿真的温度场计算，改变电机可优化参数，得到充油电机工作温度随电机可优化参数的关系，见式(3)；T＝Fun([E])
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(3)其中，Fun()为多元函数关系，T为充油电机工作温度，[E]为对电机电磁性能有影响的电机可优化参数。3.根据权利要求1所述的高速充油电机转子油摩损耗计算方法，其特征在于：步骤B中，利用式(4)建立流体粘度与上述步骤A中电机可优化参数的复合函数关系；μ＝F(T)
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(4)其中，μ为流体粘度，F(T)为电机可优化参数的复合函数。4.根据权利要求1所述的高速充油电机转子油摩损耗计算方法，其特征在于：步骤C具体为：流体的流动性质是由惯性力和粘滞力间的比例决定的，用无量纲的库艾特雷诺数Re来描述，在电机转子气隙切向流动的工作条件下，所述雷诺数Re与流体粘度的函数关系通过式(5)表示；结合上述充油电机工作温度T的影响，通过式(6)进一步得到雷诺数Re与电机可优化参数函数(多元函数)关系；Re＝Fun(ρ,ω,r,δ,μ(T([E])))
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(6)其中，ρ为流体密度，ω为角速度，r为转子半径，δ为气隙长度，μ为流体粘度；若Re低于2000，流体沿同一方向流动，为层流状态；流速进一步增大，流动中会出现速...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹继斌，禹国栋，于泳毅，徐永向，徐国强，肖利军，张文韬，施道龙，董苯思，卓亮，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：