基于三維等效熱網(wǎng)絡(luò)模型的永磁球形電動機溫升預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種=維等效熱網(wǎng)絡(luò)方法，具體設(shè)及一種基于=維等效熱網(wǎng)絡(luò)模型的 永磁球形電動機溫升預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 機械手、機器人等裝置多自由度運動的實現(xiàn)需要多臺單自由度電機的相互配合， 但是，該樣的系統(tǒng)具有體積大、精度低、摩擦大等缺點。為了改善系統(tǒng)的性能，國內(nèi)外的學(xué)者 將研究的重點放到了單軸可W實現(xiàn)多自由度運動的電動機上。其中，永磁球形電動機W體 積小、重量輕、力能指標(biāo)高、控制簡單等優(yōu)點，成為多自由度電動機研究的熱點永磁球 形電動機在工作時主要包含磁極損耗發(fā)熱和定子線圈銅損耗發(fā)熱兩大熱源，生熱量大，無 通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，其特有的球形半封閉結(jié)構(gòu)使散熱情況不理想。較高的溫升很可能導(dǎo)致磁極 的不可逆退磁，并加速定子線圈絕緣的老化。該不僅影響了永磁球形電動機的工作精度，還 會降低電機的壽命。所W，為了保證永磁球形電動機穩(wěn)定和安全的工作，很有必要預(yù)測永磁 球形電動機工作時的溫度變化情況。
[0003] 目前，計算電機的溫升的方法主要為有限元法與等效熱網(wǎng)絡(luò)法等。有限元法通用 性很強，能夠?qū)θ魏螐?fù)雜結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行準(zhǔn)確分析，但是該種方法對模型的建立要求嚴(yán)苛，計 算時間很長b-w。而等效熱網(wǎng)絡(luò)法理論基礎(chǔ)簡單，易于建模，能夠直觀地反映電機內(nèi)部熱量 的傳遞關(guān)系，并且計算時間短hwu。
[0004] 上述傳統(tǒng)的等效熱網(wǎng)絡(luò)法多采用二維模型，因為對于常規(guī)電機而言，它們是軸向 對稱的，采用二維等效熱網(wǎng)絡(luò)就可W較好地對整個電機進(jìn)行溫升預(yù)測。但是，永磁球形電動 機并不是軸向?qū)ΨQ的，僅僅采用二維等效熱網(wǎng)絡(luò)法已經(jīng)不能正確反映電機的溫升情況。
[000引參考文獻(xiàn)
[0006] 1. Xia C L，Li H F，Shi T N，3-D Ma即etic Field and Torque Analysis of a Novel Halbach Array Permanent-Magnet Spherical Motor[J]， IEEE Transactions on 13即61^3,2008,44(8);2016-2020,
[0007] 2. C. L. Xia, P. Song, H. F. Li, B. Li and T. N. Shi, Research on Torque Calculation Method of Permanent-magnet Spherical Motor Based on the Finite-Element Method[J]， I邸E Transactions on Ma即etics，2009,45(4) ;2015-2022.
[0008] 3. Yan L，Chen I M，Lee K M，et al，Modeling and Iron-Effect Analysis on Magnetic Field and Torque Output of Electromagnetic Spherical Actuators With Iron Stator[J]，IE邸/ASME Transactions on Mechatronics，2012,17(6) ; 1080-1087.
[0009] 4. Xin J G，XIA C L，Li H F，Shi T N，A novel orientation measurement using optical sensor for spherical motor[J]，Science China，2013,56 (6) ; 1330-1339.
[0010] 5. Mezani，S. Takorabet，N. Laporte，B.，A combined electromagnetic and thermal analysis of induction motors[J]， IEEE Transactions on Magnetics，2005， 41(5) ；1572-1575.
[0011] 6.A. Boglietti,A. Cavagnino,and D. Staton,Evolution and modern approaches for thermal analysis of electrical machine [J]，IEEE Trans. Ind. Elect.，2009， 56(3) ；871 - 882.
[0012] 7. Alain Cassat，Christophe Espanet，Nicolas Wavre，BLDC motor stator and rotor iron losses and thermal behavior based on lumped schemes and 3-D FEM analysis[J]， IEEE Transactions on Industry Applications，2003,39巧）；1314-1322.
[0013] 8. Yunkai Huang,Jianguo Zhu，Youguang Guo,Thermal Analysis of High-Speed SMC Motor Based on Thermal Network and 3-D FEA With Rotational Core Loss Included[J]， I邸E Transactions on Ma即etics，2009,45(10) ;468〇-4683.
[0014] 9. Yujiao Zhang，Jiangjun Ruan, Tao Huang，Xiaoping Yang，Houquan Zhu， Gao Yang， Calculation of Temperature Rise in Air-cooled Induction Motors Through 3-D Coupled Electromagnetic Fluid-Dynamical and Thermal Finite-Element Analysis[J]，IE邸 Transactions on Ma即etics，2012,48(2) ; 1047-1050.
[0015] 10. N. Zhao，Z. Q. Zhu，W. Liu，Rotor eddy current loss calculation and thermal analysis of permanent magnet motor and generator[J]，IEEE Trans. Magn.， 2011,47(10) ；4199-4202.
[0016] 11. Y. G. Guo, J. G.化u，W. Wu，Thermal analysis of SMC motors using a hybrid model with distributed heat sources[J]，IE邸 Trans. Ma即.，2005,41(6) ;2124-2128.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 本發(fā)明的目的是改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，針對永磁球形電動機的特點，建立符 合其真實空間結(jié)構(gòu)的=維等效熱網(wǎng)絡(luò)模型，并對永磁球形電動機進(jìn)行溫升預(yù)測。本方法耗 費時間短、易于操作且具有較高的準(zhǔn)確性，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或不能采用二維熱網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行 分析的系統(tǒng)具有很強的適用性。為此，本發(fā)明采用W下技術(shù)方案：
[0018] 一種基于=維等效熱網(wǎng)絡(luò)模型的永磁球形電動機溫升預(yù)測方法，其特征在于，包 括W下步驟：
[0019] 第一步；熱網(wǎng)絡(luò)模型的建立：
[0020] 永磁球形電動機的轉(zhuǎn)子主體呈球形，采用硬侶制成，轉(zhuǎn)子輸出軸和法蘭安裝在轉(zhuǎn) 子球體上；轉(zhuǎn)子球體上安裝有6塊按N、S極交替排列的轉(zhuǎn)子磁極；轉(zhuǎn)子磁極由稀±永磁材 料NdFeB加工而成；永磁球形電動機的定子繞組采用銅制漆包線，為集中式繞組，定子繞組 均勻致密地纏繞在定子侶屯、上，呈圓筒狀，并通過該侶屯、安裝在定子球殼上；定子繞組共有 54個，分為3層，各層分別沿定子球面的一條紳線均勻分布，該=條紳線分別是赤道、北紳 22.5°和南紳22.5° ;由于永磁球形電動機幾何對稱，選取永磁球形電動機整體的1/18為 研究對象，剩余的17/18與該研究對象的發(fā)熱情況完全相同，依據(jù)永磁球形電動機特殊的 球狀結(jié)構(gòu)，建立符合其真實空間結(jié)構(gòu)的=維等效熱網(wǎng)絡(luò)模型，模型包括四部分；單個磁極的 1/3、單個定子繞組、單個定子侶屯、，細(xì)化前=部分的節(jié)點；
[0021] 第二步；熱源的確定及熱量的分配：
[002引磁極禍流損耗Pe包括單一損耗P 1與復(fù)合損耗P 2兩部分，其表達(dá)式為PP 1+P2; 磁極磁滯損耗
【主權(quán)項】
1. 一種基于三維等效熱網(wǎng)絡(luò)模型的永磁球形電動機溫升預(yù)測方法，其特征在于，包括 以下步驟： 第一步：熱網(wǎng)絡(luò)模型的建立： 永磁球形電動機的轉(zhuǎn)子主體呈球形，采用硬鋁制成，轉(zhuǎn)子輸出軸和法蘭安裝在轉(zhuǎn)子球 體上；轉(zhuǎn)子球體上安裝有6塊按N、S極交替排列的轉(zhuǎn)子磁極；轉(zhuǎn)子磁極由稀土永磁材料 NdFeB加工而成；永磁球形電動機的定子繞組采用銅制漆包線，為集中式繞組，定子繞組均 勻致密地纏繞在定子鋁心上，呈圓筒狀，并通過該鋁心安裝在定子球殼上；定子繞組共有 54個，分為3層，各層分別沿定子球面的一條煒線均勻分布，這三條煒線分別是赤道、北煒 22.5°和南煒22.5° ;由于永磁球形電動機幾何對稱，選取永磁球形電動機整體的1/18為 研宄對象，剩余的17/18與該研宄對象的發(fā)熱情況完全相同，依據(jù)永磁球形電動機特殊的 球狀結(jié)構(gòu)，建立符合其真實空間結(jié)構(gòu)的三維等效熱網(wǎng)絡(luò)模型，模型包括四部分：單個磁極的 1/3、單個定子繞組、單個定子鋁心，細(xì)化前三部分的節(jié)點； 第二步：熱源的確定及熱量的分配： 磁極渦流損耗Pe包括單一損耗P i與復(fù)合損耗P 2兩部分，其表達(dá)式為Pe= P i+P2;磁極 磁滯損耗
，其中Kh為磁滯損耗系數(shù)，D是磁極材料的 密度，f為相電流基波磁動勢交變頻率，u為定子相電流各次時間諧波次數(shù)，B1^ B2,u和B 3，u 為定子相電流u次時間諧波產(chǎn)生的三個磁密分量，V為單個磁極體積的1/3, t為時間變量， T為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周所用時間；定子繞組銅損耗
，其中P eu為銅的電阻率，N為 單個定子繞組匝數(shù)，1為定子繞組每匝線圈長度的平均值，Ss是定子繞組導(dǎo)線截面積，I u為 定子相電流u次時間諧波幅值；鋁損耗包括定子鋁損耗PD，即定子鋁心損耗Pdi和定子鋁殼 損耗P d2，與轉(zhuǎn)子鋁心損耗Pz;忽略機械損耗； 將磁極的總發(fā)熱量P = PJPh分配到磁極中的節(jié)點；定子繞組被均勻分為12個節(jié)點，將 定子繞組整體的發(fā)熱量平均分配給這12個熱源節(jié)點，即每個節(jié)點發(fā)熱量均為P&/12 ;定子 鋁心被均勻分成3個節(jié)點，將定子鋁心整體的發(fā)熱量平均分配給這3個熱源節(jié)點，即每個節(jié) 點發(fā)熱量均為PD1/3 ;轉(zhuǎn)子鋁心被均勻分為緊挨磁極的上下2個節(jié)點，將轉(zhuǎn)子鋁心整體的發(fā) 熱量平均分配給這2個熱源節(jié)點，即每個節(jié)點發(fā)熱量均為P z/12 ;定子鋁殼被均勻分成5個 節(jié)點，將定子鋁殼整體的發(fā)熱量平均分配給這5個熱源節(jié)點，即每個節(jié)點發(fā)熱量均為PD2/5 ; 第三步：等效熱阻的計算： 等效熱網(wǎng)絡(luò)模型中各節(jié)點之間由等效熱阻相連，永磁球形電動機中損耗產(chǎn)生的熱量通 過等效熱阻進(jìn)行傳遞，根據(jù)模型中各節(jié)點間不同類型的熱量傳播方式，將等效熱阻分為三 種：傳導(dǎo)熱阻R1= L/k/A i，其中L為傳導(dǎo)路徑的長度，A1S熱傳導(dǎo)面積，k為材料的導(dǎo)熱系 數(shù)；對流熱阻馬=IAcZA 2，其中^為熱交換面積，h。為對流傳熱系數(shù)；輻射熱阻1?3= ι/hy A3，其中八3為熱輻射面積，h ^為輻射傳熱系數(shù)； 其中，磁極與轉(zhuǎn)子腔之間為傳導(dǎo)熱阻；磁極與轉(zhuǎn)子鋁心之間為傳導(dǎo)熱阻；定子繞組與 磁極之間為對流熱阻；定子鋁心與磁極之間為對流熱阻；定子繞組與定子鋁心之間為傳導(dǎo) 熱阻；定子繞組與定子鋁殼之間為傳導(dǎo)熱阻；定子鋁心與定子鋁殼之間為傳導(dǎo)熱阻；定子 鋁殼與外界之間為對流熱阻與輻射熱阻； 第四步：數(shù)據(jù)采集： 在進(jìn)行溫升預(yù)測的時候，采集所述永磁球形電動機的定子相電流，采集外界溫度值； 第五步：熱網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的溫升預(yù)測： 永磁球形電動機各節(jié)點溫度的熱力學(xué)方程為
1其中[G]為熱網(wǎng)絡(luò)的 熱導(dǎo)矩陣，[P]為各節(jié)點的損耗列向量，[C]為熱網(wǎng)絡(luò)的熱容矩陣，[T]為各節(jié)點的溫升列向 量，利用MATLAB編寫程序進(jìn)行計算，可得熱網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的溫升情況。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于三維等效熱網(wǎng)絡(luò)模型的永磁球形電動機溫升預(yù)測方法，包括以下步驟：(1)三維等效熱網(wǎng)絡(luò)模型的建立：針對永磁球形電動機特殊的球狀結(jié)構(gòu)，建立符合其真實空間結(jié)構(gòu)的三維等效熱網(wǎng)絡(luò)模型，(2)熱源的確定：將磁極損耗、定子線圈銅損耗、定子鋁耗以及轉(zhuǎn)子鋁耗作為熱源分布至三維等效熱網(wǎng)絡(luò)模型中的相應(yīng)節(jié)點，(3)等效熱阻的計算：根據(jù)模型中各節(jié)點間不同類型的熱量傳播方式，將等效熱阻分為三種：傳導(dǎo)熱阻、對流熱阻和輻射熱阻，(4)數(shù)據(jù)采集，(5)模型中各節(jié)點的溫升預(yù)測：通過求解三維等效熱網(wǎng)絡(luò)模型，獲得永磁球形電動機各節(jié)點的溫度。本發(fā)明耗費時間短、易于操作且具有較高的準(zhǔn)確性，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或不能采用二維熱網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行分析的系統(tǒng)具有很強的適用性。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104537154
【申請?zhí)枴緾N201410751445
【發(fā)明人】李洪鳳, 沈彥波
【申請人】天津大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月9日