專利名稱：基于仿真模型的電機(jī)運(yùn)行三維溫度場(chǎng)分布的虛擬測(cè)試方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于三維溫度場(chǎng)仿真模型的電機(jī)運(yùn)行三維溫度場(chǎng)分布的虛擬測(cè)試方法，屬電機(jī)溫度保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于堵轉(zhuǎn)、過(guò)載、斷相、三相不平衡、過(guò)電壓、欠電壓、風(fēng)扇損壞等故障將造成電動(dòng) 機(jī)熱損壞，溫度是影響電機(jī)壽命的主要因素，也是制約電機(jī)長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行能力的主要因素。 電動(dòng)機(jī)故障熱損壞造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，準(zhǔn)確掌握各種運(yùn)行負(fù)載情況下電機(jī)三維溫度分 布及溫度變化規(guī)律是電機(jī)設(shè)計(jì)特別是電機(jī)保護(hù)研究的重要內(nèi)容，不但可以為電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì) 提供指導(dǎo)，而且可以為電機(jī)保護(hù)提供依據(jù)，
但是如果要了解掌握各種運(yùn)行負(fù)載情況下電機(jī)溫度分布及溫度變化規(guī)律，必須進(jìn)行大 量長(zhǎng)時(shí)間的、各種類型與參數(shù)負(fù)載下運(yùn)行的實(shí)際測(cè)試，不僅消耗大量人力物力，而且不可能 進(jìn)行全面的各種類型故障各種運(yùn)行狀態(tài)下的三維溫度場(chǎng)分布的測(cè)試，這就是長(zhǎng)期以來(lái)人們 無(wú)法也沒(méi)有對(duì)電機(jī)運(yùn)行三維溫度場(chǎng)的實(shí)際溫度分布進(jìn)行大量測(cè)試的原因，由于電機(jī)熱特性 與熱參數(shù)的復(fù)雜性，人們只有依靠許多經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或很大范圍內(nèi)理論參數(shù)的粗略選擇進(jìn)行建 立溫度場(chǎng)的仿真模型研究，并采用簡(jiǎn)單負(fù)載下實(shí)際溫度分布進(jìn)行驗(yàn)證的工作，比如夏正澤 等在《微特電機(jī)》2009年第4期發(fā)表的論文“異步牽引電動(dòng)機(jī)定子溫度場(chǎng)的計(jì)算與分析” 介紹了二維定子溫度場(chǎng)仿真模型在空載與額定負(fù)載下溫度場(chǎng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，王艷武等在 《中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)》2009年第24期發(fā)表的論文“異步電動(dòng)機(jī)定子繞組匝間短路三維溫度 場(chǎng)計(jì)算與分析”介紹了三維定子溫度場(chǎng)仿真模型并以空載下電機(jī)表面溫度實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比， 但是這些研究都僅僅是進(jìn)行建立三維定子溫度場(chǎng)仿真模型的研究，這些模型都沒(méi)有經(jīng)過(guò)三 維溫度場(chǎng)實(shí)際溫度分布的驗(yàn)證，更沒(méi)有在各種負(fù)載條件下實(shí)際溫度分布的驗(yàn)證，而實(shí)際負(fù) 載比如空載與額定負(fù)載長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行、各種過(guò)載運(yùn)行、循環(huán)負(fù)載、三相不平衡負(fù)載、斷相、變 化負(fù)載等遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是現(xiàn)有仿真模型研究過(guò)的內(nèi)容，因此這些模型的準(zhǔn)確性無(wú)法確定，只能是 處于研究之中，特別是至今沒(méi)有人提出將這些模型應(yīng)用于電機(jī)各種負(fù)載下溫度分布的虛擬 測(cè)試的思路與方案，或者說(shuō)目前人們的研究不可能也沒(méi)有將模型應(yīng)用于虛擬測(cè)試。此外，目前進(jìn)行電動(dòng)機(jī)三維定子溫度場(chǎng)仿真模型的研究全部都在電機(jī)研究設(shè)計(jì)領(lǐng) 域，在電機(jī)領(lǐng)域或行業(yè)進(jìn)行仿真模型研究的目的是針對(duì)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，而電動(dòng)機(jī)保護(hù)研究主 要是電器領(lǐng)域或行業(yè)，或者說(shuō)電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)技術(shù)、保護(hù)裝置、保護(hù)器等研究制造都屬電器領(lǐng) 域或行業(yè)，然而電器領(lǐng)域與行業(yè)的人員沒(méi)有進(jìn)行電動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)仿真模型的研究，這是目前 電動(dòng)機(jī)保護(hù)研究的現(xiàn)狀。本課題組研究方向的重點(diǎn)是電器智能化研究，成員中有電器研究人員也有電機(jī)研 究人員，我們考慮到必須對(duì)電動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)的實(shí)際分布情況有深入地了解才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地保 護(hù)，因此我們開(kāi)始對(duì)型號(hào)為Y100L2-4，額定功率為3kW的籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)各部位埋設(shè) 了 64個(gè)溫度傳感器，實(shí)際測(cè)試了各種代表性運(yùn)行狀態(tài)下的溫度分布，從而進(jìn)行了大量實(shí)際 測(cè)試，掌握了一手資料，進(jìn)而在這些基礎(chǔ)上建立了準(zhǔn)確的三維定子溫度場(chǎng)仿真模型，由于仿真模型以實(shí)際測(cè)試為基礎(chǔ)確定各種熱參數(shù)，因此，仿真模型準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)各種故障與運(yùn)行狀 態(tài)下溫度分布，了解到電動(dòng)機(jī)溫度分布與變化規(guī)律，為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)熱保護(hù)奠定基礎(chǔ)，本來(lái)研 究工作到此可以結(jié)束，但是擺在面前的問(wèn)題是我們了解了溫度分布情況，其他研究人員又 如何能了解、應(yīng)用這項(xiàng)成果，而且如果換一種型號(hào)或規(guī)格的電動(dòng)機(jī)，用戶同樣無(wú)法了解其溫 度分布規(guī)律，因此本課題組產(chǎn)生了在電動(dòng)機(jī)保護(hù)或電動(dòng)機(jī)研究領(lǐng)域均未提出過(guò)的應(yīng)用本課 題組已經(jīng)完成的三維定子溫度場(chǎng)仿真模型進(jìn)行虛擬測(cè)試并具通用性的思路，并且完善虛擬 測(cè)試方法與界面，解決了各種異步電動(dòng)機(jī)無(wú)法進(jìn)行各種故障與運(yùn)行狀態(tài)下溫度分布實(shí)際測(cè) 試的問(wèn)題，使三維定子溫度場(chǎng)仿真模型獲得新的更大的工程應(yīng)用。舉例說(shuō)明，除了必須在電 動(dòng)機(jī)制造過(guò)程在電動(dòng)機(jī)內(nèi)埋設(shè)大量傳感器并研制測(cè)試裝置等大量工作外，如果進(jìn)行一項(xiàng)穩(wěn) 定負(fù)載運(yùn)行的實(shí)際溫度分布測(cè)試，必須花費(fèi)7-8小時(shí)，溫度才能穩(wěn)定，然而應(yīng)用本發(fā)明只在 被試電機(jī)端部方便地膠上1-3個(gè)傳感器進(jìn)行一次簡(jiǎn)單測(cè)試建立準(zhǔn)確的仿真模型即可，而無(wú) 須在制造過(guò)程進(jìn)行，在建立仿真模型后卻只需要2-3分鐘就完成上述需要花費(fèi)7-8小時(shí)才 能完成的一項(xiàng)穩(wěn)定負(fù)載運(yùn)行的實(shí)際溫度分布測(cè)試，更何況從此可以方便地進(jìn)行各種任意故 障與運(yùn)行狀態(tài)下溫度分布測(cè)試。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種基于三維溫度場(chǎng)仿真模型的電機(jī)運(yùn)行三維溫度場(chǎng)分布的虛擬測(cè)試方法，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)運(yùn)行三維溫度場(chǎng)分布的虛擬測(cè)試。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明方法的特征在于步驟如下
步驟1 安裝基于三維溫度場(chǎng)仿真軟件建立參數(shù)化電機(jī)三維溫度場(chǎng)建模程序； 步驟2 實(shí)際測(cè)試環(huán)境溫度與定子繞組電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)側(cè)端部靠近接線盒處穩(wěn)態(tài)溫度； 步驟3 根據(jù)被測(cè)試電機(jī)的要求將結(jié)構(gòu)尺寸、材料特性參數(shù)、實(shí)測(cè)環(huán)境溫度與定子繞組 電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)側(cè)端部靠近接線盒處穩(wěn)態(tài)溫度輸入到基于三維溫度場(chǎng)仿真軟件建立參數(shù)化電 機(jī)三維溫度場(chǎng)建模程序的結(jié)構(gòu)尺寸和材料特性參數(shù)輸入界面，建立準(zhǔn)確的被試電機(jī)定子三 維溫度場(chǎng)仿真模型；
步驟4 根據(jù)測(cè)試的需要輸入負(fù)載的類型、電機(jī)三相電流、環(huán)境溫度、電源電壓參數(shù)到 被試電機(jī)定子三維溫度場(chǎng)仿真模型的溫度分布測(cè)試界面，在溫度分布測(cè)試界面選擇需要進(jìn) 行溫度分布狀況測(cè)試的電動(dòng)機(jī)部件；
步驟5 運(yùn)行被試電機(jī)定子三維溫度場(chǎng)仿真模型的程序；
步驟6 讀取、打印需要進(jìn)行溫度分布狀況測(cè)試的電動(dòng)機(jī)部件的溫度變化曲線和三維 溫度分布結(jié)果。所述基于三維溫度場(chǎng)仿真軟件是ANSYS仿真軟件或ANSOFT仿真軟件。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的基于三維溫度場(chǎng)仿真模型的電機(jī)運(yùn)行三維溫度場(chǎng) 分布的虛擬測(cè)試方法，可實(shí)現(xiàn)包括故障在內(nèi)的各種運(yùn)行狀態(tài)下電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度分布及瞬態(tài)溫 度變化的虛擬測(cè)量，可以給出電機(jī)內(nèi)部任意位置的溫度值及不同時(shí)刻電機(jī)各部位的溫度分 布圖，實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行三維溫度場(chǎng)分布的虛擬測(cè)試，節(jié)省大量實(shí)際測(cè)試消耗的人力物力與時(shí) 間，使用方便，不僅可以應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，而且可以應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)。


圖1是本發(fā)明建立溫度場(chǎng)模型界面的示意圖。圖2是本發(fā)明溫度測(cè)試界面示意圖。
具體實(shí)施例方式由于電機(jī)熱特性與熱參數(shù)的復(fù)雜性，只有通過(guò)必要的實(shí)際測(cè)試確定相關(guān)熱特性與 熱參數(shù)后建立的三維溫度場(chǎng)仿真模型才是準(zhǔn)確的，本發(fā)明在對(duì)異步電動(dòng)機(jī)三維溫度分布進(jìn) 行必要的實(shí)際測(cè)試的基礎(chǔ)上建立了基于三維溫度場(chǎng)仿真軟件的參數(shù)化電機(jī)三維溫度場(chǎng)建 模程序；異步電動(dòng)機(jī)三維溫度分布大量實(shí)際測(cè)試表明，異步電動(dòng)機(jī)最高溫度區(qū)是定子繞組 電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)側(cè)端部靠近接線盒處，根據(jù)被測(cè)試電機(jī)的要求輸入結(jié)構(gòu)尺寸、材料特性參數(shù)、實(shí) 測(cè)的環(huán)境溫度與定子繞組電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)側(cè)端部靠近接線盒處穩(wěn)態(tài)溫度到基于三維溫度場(chǎng)仿 真軟件建立參數(shù)化電機(jī)三維溫度場(chǎng)建模程序的結(jié)構(gòu)尺寸和材料特性參數(shù)輸入界面，建立準(zhǔn) 確的被試電機(jī)定子三維溫度場(chǎng)仿真模型，確定了異步電動(dòng)機(jī)的相關(guān)熱參數(shù)，從而通過(guò)簡(jiǎn)單 容易的測(cè)試在上述基于三維溫度場(chǎng)仿真軟件的參數(shù)化電機(jī)三維溫度場(chǎng)建模程序的基礎(chǔ)上 建立準(zhǔn)確的被試電機(jī)定子三維溫度場(chǎng)仿真模型；再根據(jù)測(cè)試的需要輸入負(fù)載的類型、電機(jī) 三相電流、環(huán)境溫度、電源電壓等參數(shù)到被試電機(jī)定子三維溫度場(chǎng)仿真模型的溫度分布測(cè) 試界面，在溫度分布測(cè)試界面選擇需要進(jìn)行溫度分布狀況虛擬測(cè)試的電動(dòng)機(jī)部件；運(yùn)行被 試電機(jī)定子三維溫度場(chǎng)仿真模型的程序；讀取、打印需要進(jìn)行溫度分布狀況測(cè)試的電動(dòng)機(jī) 部件的溫度變化曲線和三維溫度分布結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)包括故障在內(nèi)的各種運(yùn)行狀態(tài)下電機(jī)穩(wěn) 態(tài)溫度分布及瞬態(tài)溫度變化的虛擬測(cè)量，可以給出電機(jī)內(nèi)部任意位置的溫度值及不同時(shí)刻 電機(jī)各部位的溫度分布圖，實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行三維溫度場(chǎng)分布的虛擬測(cè)試，節(jié)省大量實(shí)際測(cè)試 消耗的人力物力與時(shí)間，使用方便，不僅可以應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，而且可以應(yīng)用于異步 電動(dòng)機(jī)保護(hù)。這里以ANSYS仿真軟件為例，為了讓一般技術(shù)人員能充分的理解本發(fā)明，這里介 紹下基于ANSYS仿真軟件建立參數(shù)化電機(jī)三維溫度場(chǎng)建模程序的理論基礎(chǔ)
對(duì)于各向異性介質(zhì)，直角坐標(biāo)下的三維導(dǎo)熱偏微分方程為[1]
3 ,，3Γ% 3 ,，3Γ、 3,, 3Γ、3Γ 7 χ
-T-J ++=(1)
3x dx ψ ψ
式中，T為物體的溫度；t為時(shí)間；kx、ky、kz分別為x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù)；P為材料 的密度；c為材料的比熱；qv為熱源的發(fā)熱密度。對(duì)于穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，溫度T不隨時(shí)間t變化，式(1)中dl/dt=0 ，考慮到邊界條件，對(duì)導(dǎo)熱微分方程的求解可以歸為一個(gè)邊值問(wèn)題<formula>formula see original document page 6</formula>
式中Sl為第一類邊界條件的物體邊界，TO為已知邊界面的溫度；k2為第二類邊界條件 垂直于界面S2的熱傳導(dǎo)率；q為通過(guò)界面S2的熱流密度；k3為第三類邊界條件垂直于界面 S3的熱傳導(dǎo)率，Tf為在界面S3與物體接觸的冷卻介質(zhì)的溫度，α為在界面S3與物體接觸 的冷卻介質(zhì)的換熱系數(shù)。對(duì)應(yīng)于式(2)的等價(jià)變分為<formula>formula see original document page 6</formula>
式中，V表示求解域。當(dāng)泛函取極值，即耵/OT=O時(shí)，可得單元矩陣方程 KT=F(4)
式中，T為求解域內(nèi)全部節(jié)點(diǎn)溫度所形成的溫度列陣；K和F分別為總體系數(shù)矩陣和總 體右端列矢量。再將邊界條件代入上式修改，獲得一個(gè)線性方程組，解此方程組即可得到各 個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度值。因此，本實(shí)施例子可采用以下步驟實(shí)現(xiàn)
步驟1 安裝基于ANSYS仿真軟件建立參數(shù)化電機(jī)三維溫度場(chǎng)建模程序； 步驟2 以型號(hào)為Y100L2-4，額定功率為3kW的籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為例，實(shí)際測(cè)試環(huán) 境溫度與定子繞組傳動(dòng)側(cè)端部穩(wěn)態(tài)溫度，實(shí)際測(cè)試環(huán)境溫度為20°C，穩(wěn)態(tài)溫度為110°C ；
步驟3 根據(jù)被測(cè)試電機(jī)的要求將結(jié)構(gòu)尺寸、材料特性參數(shù)、實(shí)測(cè)環(huán)境溫度與定子繞組 電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)側(cè)端部靠近接線盒處穩(wěn)態(tài)溫度輸入到基于三維溫度場(chǎng)仿真軟件建立參數(shù)化電 機(jī)三維溫度場(chǎng)建模程序的結(jié)構(gòu)尺寸和材料特性參數(shù)輸入界面(如圖1所示)，建立準(zhǔn)確的被 試電機(jī)定子三維溫度場(chǎng)仿真模型；
步驟4 根據(jù)測(cè)試的需要輸入負(fù)載的類型、電機(jī)三相電流、環(huán)境溫度、電源電壓參數(shù)到 被試電機(jī)定子三維溫度場(chǎng)仿真模型的溫度分布測(cè)試界面(請(qǐng)參見(jiàn)圖2)，在溫度分布測(cè)試界 面選擇需要進(jìn)行溫度分布狀況測(cè)試的電動(dòng)機(jī)部件；
步驟5 運(yùn)行被試電機(jī)定子三維溫度場(chǎng)仿真模型的程序；
步驟6 讀取、打印電機(jī)定子繞組的溫度變化曲線和三維溫度分布結(jié)果。值得一提的是，上述的仿真軟件也可以是ANSOFT仿真軟件，以上所述僅為本發(fā)明的 較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
一種基于仿真模型的電機(jī)運(yùn)行三維溫度場(chǎng)分布的虛擬測(cè)試方法，其特征在于包括如下步驟步驟1安裝基于三維溫度場(chǎng)仿真軟件建立參數(shù)化電機(jī)三維溫度場(chǎng)建模程序；步驟2實(shí)際測(cè)試環(huán)境溫度與定子繞組電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)側(cè)端部靠近接線盒處穩(wěn)態(tài)溫度；步驟3根據(jù)被測(cè)試電機(jī)的要求將結(jié)構(gòu)尺寸、材料特性參數(shù)、實(shí)測(cè)環(huán)境溫度與定子繞組電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)側(cè)端部靠近接線盒處穩(wěn)態(tài)溫度輸入到基于三維溫度場(chǎng)仿真軟件建立參數(shù)化電機(jī)三維溫度場(chǎng)建模程序的結(jié)構(gòu)尺寸和材料特性參數(shù)輸入界面，建立準(zhǔn)確的被試電機(jī)定子三維溫度場(chǎng)仿真模型；步驟4根據(jù)測(cè)試的需要輸入負(fù)載的類型、電機(jī)三相電流、環(huán)境溫度、電源電壓參數(shù)到被試電機(jī)定子三維溫度場(chǎng)仿真模型的溫度分布測(cè)試界面，在溫度分布測(cè)試界面選擇需要進(jìn)行溫度分布狀況測(cè)試的電動(dòng)機(jī)部件；步驟5運(yùn)行被試電機(jī)定子三維溫度場(chǎng)仿真模型的程序；步驟6讀取、打印需要進(jìn)行溫度分布狀況測(cè)試的電動(dòng)機(jī)部件的溫度變化曲線和三維溫度分布結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于仿真模型的電機(jī)運(yùn)行三維溫度場(chǎng)分布的虛擬測(cè)試方法， 其特征在于所述基于三維溫度場(chǎng)仿真軟件是ANSYS仿真軟件或ANSOFT仿真軟件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于三維溫度場(chǎng)仿真模型的電機(jī)運(yùn)行三維溫度場(chǎng)分布的虛擬測(cè)試方法，其首先安裝基于三維溫度場(chǎng)仿真軟件建立參數(shù)化電機(jī)三維溫度場(chǎng)建模程序；實(shí)際測(cè)試環(huán)境溫度與定子繞組電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)側(cè)端部靠近接線盒處穩(wěn)態(tài)溫度；建立準(zhǔn)確的被試電機(jī)定子三維溫度場(chǎng)仿真模型；利用該模型對(duì)電機(jī)運(yùn)行三維溫度場(chǎng)分布的虛擬測(cè)試，實(shí)現(xiàn)包括故障在內(nèi)的各種運(yùn)行狀態(tài)下電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度分布及瞬態(tài)溫度變化的虛擬測(cè)量，可以給出電機(jī)內(nèi)部任意位置的溫度值及不同時(shí)刻電機(jī)各部位的溫度分布圖，實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行三維溫度場(chǎng)分布的虛擬測(cè)試，節(jié)省大量實(shí)際測(cè)試消耗的人力物力與時(shí)間，使用方便，不僅可以應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，而且可以應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101806642SQ20101014265
公開(kāi)日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者劉向軍, 張培銘, 楊明發(fā), 江和 申請(qǐng)人:福州大學(xué)