CN111274669A - 一种具备热参数校准功能的爪极发电机瞬态温度监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种具备热参数校准功能的爪极发电机瞬态温度监测方法,该方法基于爪极发电机瞬态温度集总参数热网络计算模型,所述的热网络模型中的关键热参数通过实验数据进行校核,使其具备能够随着发电机转速及其周围环境温度两个关键自变量精确校准的功能,实现高精度以及高可靠性的爪极发电机瞬态温度监测。其步骤如下:建立初始爪极发电机集总热网络模型;爪极发电机集总热网络模型关键热参数校准;爪极发电机集总热网络模型瞬态温度监测及后处理。
Description
技术领域
本发明属于交流电机监测方法,尤其涉及一种具备热参数校准功能的爪极发电机瞬态温度监测方法。
背景技术
随着电磁场理论及电机技术的发展,各类交流电机及交流电机设计方法、分析方法及控制策略也在不断的产生和发展,并不断在各行业得到了广泛的应用。近些年来,人们对汽车的安全性能、智能化程度以及车载电气设备种类提出了新的要求和需求,汽车用发电机作为汽车最为关键的“电能枢纽”,其可靠稳定的电能输出能力以及尽可能长的安全运行周期成为当前汽车发电机研究的一个热点之一。
当前,以内燃机为主要动力机的汽车广泛采用转子呈现“爪”形的“爪极发电机”(以下简称“爪极发电机”),其中爪极发电机由直流集中绕组和永磁体共同产生励磁磁场,转子则由动力机通过传动装置拖动旋转,励磁磁场“切割”电枢绕组进而输出源源不断的电能。受限于汽车发动机机舱的狭小空间,爪极发电机的散热条件受到明显限制。有数据表明,电机绕组温度超过其绝缘等级所允许的最大温度10℃,其绝缘寿命将会减少一半;此外,爪极发电机温度的升高,也会对永磁体的磁性能产生不利的影响,进而导致爪极发电机的性能下降,可能表现在发电机输出电压的降低以及输出功率的降低,这些都会对汽车以及车内电气设备的正常工作及运行产生不利的影响。为此合理的电磁方案、可靠的机械结构、良好的散热条件以及精确的温度监测方法是避免上述不利影响的重要手段,其中发电机温度的精确监测是车辆安全运行的重要保证。由于温度传感器的精度易受到工作环境的温度、湿度、电磁因素的干扰和影响,因而不依赖于温度传感器并采用瞬态温度解析计算以及稳态温度解析计算方法逐渐成为现阶段研究的重点之一。CN103353926A公开了“一种电机温度分布实时监测方法”,该方法通过:1)构建格林函数库;2)获取电机内热源分布,并确定电机内热点分布:3)根据电机内热源分布和格林函数库获得电机任意位置温度、平均温度和热点温度。该方法具备模型简单、计算迅速、实时性强的特点,但是其中的散热系数严格依赖于由电机转子转速预估的经验系数及公式,因此该专利适合于环境温度变化不大的场合,爪极发电机的工作环境温度受到汽车发动机机舱温度的影响,因此该方法不适合用于爪极发电机的温度监测。CN104408237A公开了一种获取电机瞬态温度场的方法与装置,该方法通过:1)获取电机的第一有限元模型;2)对所述第一有限元模型进行降阶处理,从而得到所述电机的降阶模型;3)对所述降阶模型进行求解,从而得到所述降阶模型的计算结果;4)将所述计算结果映射到所述第一有限元模型,从而得到所述第一有限元模型中每个节点在不同时刻的温度映射。该方法计算效率高、适用性强且操作简单,但是严格依赖于有限元模型,且关键参数“散热对流系数”通过计算流体学的基本原理及插值方法而得到,因此其准确程度会受到影响。国际期刊《IEEE transactions on industry applications》(《国际电气和电子工程师学会工业应用期刊》)于2014年发表了一篇题为《Thermalmodeling of a claw-pole electrical generator:Steady-state computation andidentification of free and forced convection coefficients》(《爪极发电机的热建模:稳态温度计算及自由和强迫对流散热系数的确定》)的文章,该篇通过实验单独测试了不同环境温度区间内的爪极电机机壳散热孔的散热系数,给出了散热系数与发电机转速的关系,然而该方法所测试的环境温度区间较窄,且未给出具体的电机温度与环境温度的函数关系式,因而该方法的宽范围温度监测能力以及在线程序化潜能受到制约。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的爪极发电机瞬态温度监测方法所存在的上述技术问题,提出一种具备热参数校准功能的爪极发电机瞬态温度监测方法,该方法基于爪极发电机瞬态温度集总参数热网络计算模型(以下简称“热网络模型”),所述的热网络模型中的关键热参数通过实验数据进行校核,使其具备能够随着发电机转速及其周围环境温度两个关键自变量精确校准的功能,实现高精度以及高可靠性的爪极发电机瞬态温度监测。
本发明的技术方案是:
一种具备热参数校准功能的爪极发电机瞬态温度监测方法,其步骤如下:
1、建立初始爪极发电机集总热网络模型
采用热传递平衡方程见公式(1),建立初始的爪极发电机集总参数热网络模型;
式中,C为平均质量热熔,单位为J/(kg.K),m为发热体质量,单位为kg,θ为电机的温升,单位为K,t为时间,单位为s,R为热阻,包括传导热阻和对流热阻,P为单位时间内产生热量,单位为W。
爪极发电机集总参数热网络模型的输入包括发电机工作电流,定子铁耗,机械损耗、发电机转速、工作电压和环境温度,输出为发电机定子电枢绕组和转子励磁绕组的平均温度。
爪极发电机集总参数热网络模型中的变量可以分成三类,分别为传导热阻、对流热阻和损耗,各自的名称及对应的含义分别为:
传导热阻包括RY-W—定子轭与绕组之间热阻、RW-T—定子绕组与齿之间热阻、RT-F—定子齿与铁氧体之间热阻、RExW-F—励磁绕组与铁氧体之间热阻、 RCP-RY—爪极与转子轭之间热阻、RY-MF—定子轭与机壳之间热阻、RY-EW—绕组与端部绕组之间热阻、RY-T—定子轭与齿之间热阻、RT-CP—定子齿与爪极之间热阻、RF-CP—铁氧体与爪极之间热阻、RExW-CP—励磁绕组与爪极之间热阻;对流热阻包括R0—机壳与空气之间热阻、REW-IA—端部绕组与内部空气之间热阻;
损耗包括PT—定子齿部铁耗、PW—槽中绕组焦耳损耗、PExW—励磁绕组焦耳损耗、PY—定子轭部铁耗、PEW—端部绕组焦耳损耗、PF—铁氧体中涡流损耗;
2、爪极发电机集总热网络模型关键热参数校准
2.1进行直流测试,测试时在交流电机的定子绕组中通入直流电流,整个电机中只有定子铜耗,不存在其它形式的损耗,直流测试用来校准等效绕组的热导率;随后进行交流测试,交流测试的目的是校准爪极发电机集总参数热网络模型中的机壳表面散热系数和绕组端部散热系数;
2.2首先利用爪极发电机集总参数热网络模型计算直流测试所对应的发电机温度,计算结果与爪极发电机的直流测试结果相对比,反复修正等效绕组热导率,使计算结果与直流测试结果相一致,从而校准了等效绕组热导率与绕组温度的函数关系;
2.3利用爪极发电机集总参数热网络模型和经直流测试校准后的等效绕组热导率计算交流测试相对应的发电机温度;计算的温度结果与交流测试结果相对比,采用最小二乘法对机壳表面散热系数和绕组端部散热系数进行修正并不断更新,直至所得计算值与实际测量值的相对误差低于8%;最后,通过非线性拟合方法确定机壳表面散热系数和绕组端部散热系数与环境温度的函数关系。此时所对应的机壳表面散热系数和绕组端部散热系数即为爪极发电机集总参数热网络模型的低误差关键热参数;
3、爪极发电机集总热网络模型瞬态温度监测及后处理
根据计算迭代步长实时更新爪极发电机不同工况下爪极发电机集总参数热网络模型中的定子铜耗、转子铜耗、铁耗,将经过精确校准的低误差关键热参数应用于爪极发电机集中热网络模型之中,便可得到发电机在不同工况下运行时的各部件温度,实现对爪极发电机各部件瞬态温度的检测。
优选的,步骤1中初始爪极发电机集总热网络模型建立过程为:将爪极发电机中的机壳、定子铁芯、定子绕组、转子铁心、转子励磁绕组和永磁体均定义为单元,将爪极发电机的定子绕组、转子励磁绕组、定子铁芯、永磁体这些产生热量的组成部件等效成为发热源单元,将具有相同温度的单元集总成为一个关键节点,随后按照爪极发电机各组成部件之间的物理连接关系,确定各节点之间的传导热阻和对流热阻。
优选的,步骤2.1中交流测试是指保持发电机端电压不变的条件下,利用预埋在绕组中的热电偶及温度巡检仪,通过温升测试平台改变环境温度,分别测试在23℃和80℃两种环境温度下,发电机在1500-15000rpm转速下的输出电流和稳态温度。
优选的,在所述步骤2.2中,确定的爪极发电机绕组的热导率更新值Ks2为:
Ks2=0.25123+0.00132T 公式2)
其中,T为绕组温度;
优选的,步骤2.3中同步地对机壳表面散热系数、绕组端部散热系数的数值大小修正更新,并将满足所设定的相对误差下的关键热参数数值定义为已精确校准的关键热参数,定义多组温度、多组转速下的关键热参数与关键热参数初值的数值比值为关键热参数修正系数,机壳散热系数修正系数p和绕组端部散热系数修正系数q,分别如公式3)、公式4)所示;
p=-0.84413+2.12741×10-5×n+0.54336×T0.39751+1.04×10-12×n×T0.39751公式3)
式中,n是发电机转速,单位为rpm,T为环境温度,取值范围为23℃-80℃;则经过校准后的爪极发电机机壳散热系数计算公式为
αHou=p*(15.6+V0.62) 公式5)
校准后绕组端部散热系数计算公式为
αEnd=q*(VEndλa/dEnd) 公式6)
其中,V为气流速度,VEnd为绕组端部气流速度,dEnd为端部等效直径;
将修正后的散热系数αHou和αEnd应用于爪极发电机集总热网络模型中。
优选的,在步骤2.3利用爪极发电机集总参数热网络模型计算交流测试相对应的发电机温度时,使用的等效绕组热导率为经直流测试校准后的等效绕组热导率Ks2,确保了热计算的准确性。
优选的,在所述步骤2.3中对关键参数计算值进行修正时将环境温度作为模型的输入量。
本发明提供一种具备关键热参数精确校准功能的爪极发电机瞬态温度监测方法,该方法可以充分考虑爪极发电机转速以及环境温度这两个关键因素和自变量,对爪极发电机集总参数热网络模型的关键热参数进行精确校准,进而实现爪极发电机瞬态温度快速、准确、可靠的监测,为后续调整爪极发电机电磁方案、机械结构以及散热条件提供重要参考。
附图说明
图1为一种具备热参数校准功能的爪极发电机瞬态温度监测方法流程示意图;
图2为集总参数热网络模型节点及热阻分布图;
图3为本发明的爪极发电机集总参数热网络模型输入输出说明;
图4为基于本发明的一种具备热参数校准功能的爪极发电机瞬态温度监测方法在一台2.1kW汽车用爪极发电机的实施计算结果数据图;
图1中:1、为建立初始爪极发电机集总热网络模型流程,2、为爪极发电机集总热网络模型关键热参数校准流程,3、为爪极发电机集总热网络模型瞬态温度监测及后处理流程。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明做更详细地说明:
实施例1
图1所示,所述具备热参数校准功能的爪极发电机瞬态温度监测方法,包括:
1、建立初始爪极发电机集总热网络模型
参考《Y2系列三相异步电动机技术手册》温升计算部分,同时依据爪极发电机的结构特点,对爪极发电机的机壳、定子铁芯、定子绕组、转子铁芯、转子励磁绕组和永磁体部件均定义为单元,进行单元化等效处理以及节点划分,其中单元化等效处理以及关键节点划分已有较多文献资料对其进行了详细的报道,本发明是将爪极发电机的定子绕组、转子励磁绕组、定子铁芯和永磁体这些产生热量的部件等效成为发热源单元,由于定子绕组在电机热分析中的特殊性(一般条件下温度最高),除定子绕组外,忽略了电机各部件之间的轴向传热,将具有相同温度的单元集总成为一个关键节点(每个电机部件集总成为一个热节点),爪极发电机集总参数热网络节点分布图如附图2所示。
采用热传递平衡方程见公式1),建立爪极发电机集总参数热网络模型。
图3所示,爪极发电机集总参数热网络模型的输入包括发电机工作电流,定子铁耗,机械损耗、发电机转速、工作电压、环境温度,输出为发电机定子电枢绕组和转子励磁绕组的平均温度。
爪极发电机集总参数热网络模型中的变量可以分成三类,分别为传导热阻、对流热阻和损耗,各自的名称及对应的含义分别为:
传导热阻包括RY-W—定子轭与绕组之间热阻、RW-T—定子绕组与齿之间热阻、RT-F—定子齿与铁氧体之间热阻、RExW-F—励磁绕组与铁氧体之间热阻、 RCP-RY—爪极与转子轭之间热阻、RY-MF—定子轭与机壳之间热阻、RY-EW—绕组与端部绕组之间热阻、RY-T—定子轭与齿之间热阻、RT-CP—定子齿与爪极之间热阻、RF-CP—铁氧体与爪极之间热阻、RExW-CP—励磁绕组与爪极之间热阻;对流热阻包括R0—机壳与空气之间热阻、REW-IA—端部绕组与内部空气之间热阻;
按照爪极发电机各组成部件之间的物理连接关系,采用公知的公式7)、公式8)确定各节点之间的传导热阻、对流热阻。
Rc=L/(λA) 公式7)
式中,L为热传导距离,λ为材料热导率,A为热传导面积。
式中,α为对流散热系数,A为对流散热面积,Ts为固体表面温度,Tf为流体温度;其中传导面积和对流散热面积的计算需要电机尺寸参数。
损耗包括PT—定子齿部铁耗、PW—槽中绕组焦耳损耗、PExW—励磁绕组焦耳损耗、PY—定子轭部铁耗、PEW—端部绕组焦耳损耗、PF—铁氧体中涡流损耗;
2.爪极发电机集总参数热网络模型关键热参数校准
在所述的初始爪极发电机集总热网络模型中,依据现已公开的文献资料可以初步确定整个热网络模型中的损耗、热阻、热容的取值,但绕组等效热导率参数、机壳表面散热系数和绕组端部散热系数这三个关键热参数会随着环境温度和爪极发电机转速的不同而变化,且所述的三个关键热参数的取值会对整个热网络模型的求解精度、可靠性产生明显的影响,因此需要进一步的精确校准。
2.1首先进行直流测试,直流测试的主要目的是校准爪极发电机热网络模型中的等效绕组热导率。通过向爪极发电机定子绕组内通入幅值为I1的直流电流,为了缩短试验测试时间及避免损坏发电机,I1的大小按爪极发电机额定电流40%-60%确定,通入直流电流的时间为5分钟,测试过程在可以调节环境温度的封闭测试平台(以下简称“可调环境温度测试平台”)中进行,爪极发电机定子绕组的温度利用温度传感器及温度巡检仪进行测量,测温范围为 -40℃-300℃,分辨率为0.1℃。此时爪极发电机的定子绕组可以等效为一个发热源(以下简称“定子热源”),由于此时爪极发电机处于静止状态,定子热源所释放的热量的散热过程可称之为自然散热过程,爪极发电机绕组的热导率初始值按照公式9)计算
其中δ1为爪极发电机定子槽绝缘厚度,λ1=0.36W/(m·k)为槽绝缘导热系数,λL=0.185W/(m·k)为浸渍漆导热系数,λa=0.0305W/(m·k)为空气导热系数,λd=0.205W/(m·k)为导线漆层导热系数,Sf为槽满率,b为槽宽度,KL为漆填充系数,d为漆包线外径,dw为裸线外径。
其次进行交流测试,爪极发电机交流测试的目的是对机壳散热系数和绕组端部散热系数进行校准,实施过程如下:保持爪极发电机电枢绕组输出端电压不变,通过预埋在绕组中的热电偶及温度巡检仪,利用可调环境温度测试平台改变环境温度,分别测定在23℃和80℃两种环境温度下、多组转速下的输出电流和稳态温度数据(以下简称“温度实验数据”)。多组转速的上限、下限分别为爪极发电机工作的最高转速(15000rpm)、最低转速(1500rpm),并在上下限转速所构成的转速闭合区间内均匀选取多组转速。
2.2首先将直流测试中直流电流大小I1作为爪极发电机热网络模型的定子电流输入,将定子铁耗,机械损耗、发电机转速和工作电压这四个输入参数设置为零,环境温度设置为直流测试时的实际环境温度。将通过热模型计算得到的定子绕组温度和转子励磁绕组温度分别与直流测试对应的测试值进行比较,反复调整等效绕组热导率,直至定子绕组温度和转子励磁绕组温度的计算值与实测值相一致,从而校准爪极发电机的等效绕组热导率。利用公式2)确定爪极发电机绕组的热导率更新值Ks2。
2.3将交流测试得到的发电机输出电流作为热网络模型中电流输入值,工作电压为发电机的额定输出电压13.5V,定子铁耗,机械损耗采用损耗分离法确定,发电机转速和环境温度为不同直流测试对应的数值。
则通过爪极发电机集总参数热网络模型计算两种环境温度,多组转速条件下的定子绕组温度和转子励磁绕组温度,此时计算中使用的等效绕组热导率为直流测试校准后的等效绕组热导率。
将计算的定子绕组温度与转子励磁绕组温度与交流测试对应的结果进行比较,采用最小二乘法对机壳表面散热系数和绕组端部散热系数进行修正并不断更新,直至所得计算值与实际测量值的相对误差低于8%,最后通过非线性拟合校准了23℃—80℃温度范围内爪极发电机机壳散热系数和绕组端部散热系数与环境温度的函数关系。
3、爪极发电机集总热网络模型瞬态温度监测及后处理,是利用已经过爪极发电机集总热网络模型关键热参数校准流程的关键热参数对爪极发电机的瞬态温度进行监测,同时监测的数据可以为下级功能所调用。
图4所示,为基于本发明一种具备热参数校准功能的爪极发电机瞬态温度监测方法,在一台2.1kW汽车用爪极发电机的实施计算结果数据图,采用本发明一种具备热参数校准功能的爪极发电机瞬态温度监测方法时,所计算的定子绕组温度以及励磁绕组温度与实验值之间的最小误差为2℃,最大误差为 10℃,而常规方法(即未采用热参数校准的计算方法)所得到的计算值与实验值之间的最小误差约为5℃,最大误差为20℃。可以看出本发明一种具备关键热参数精确校准功能的爪极发电机瞬态温度监测方法由于考虑了环境温度以及电机转速对关键热参数的影响,同时进行了精确校准,将其实施于爪极发电机之后得到了更加准确的结果,即实施本发明所得到爪极发电机温度更加接近于实验数据。
上述实施例中的爪极发电机是一台2.1kW的六相发电机,但是也推广适用于其他功率等级的多相多极情况。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
以上仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具备热参数校准功能的爪极发电机瞬态温度监测方法,其特征是:步骤如下:
步骤1、建立初始爪极发电机集总热网络模型
采用热传递平衡方程见公式(1),建立初始的爪极发电机集总参数热网络模型;
式中,C为平均质量热熔,单位为J/(kg.K),m为发热体质量,单位为kg,θ为电机的温升,单位为K,t为时间,单位为s,R为热阻,包括传导热阻和对流热阻,P为单位时间内产生热量,单位为W。
爪极发电机集总参数热网络模型的输入包括发电机工作电流,定子铁耗,机械损耗、发电机转速、工作电压和环境温度,输出为发电机定子电枢绕组和转子励磁绕组的平均温度。
爪极发电机集总参数热网络模型中的变量可以分成三类,分别为传导热阻、对流热阻和损耗,各自的名称及对应的含义分别为:
传导热阻包括RY-W—定子轭与绕组之间热阻、RW-T—定子绕组与齿之间热阻、RT-F—定子齿与铁氧体之间热阻、RExW-F—励磁绕组与铁氧体之间热阻、RCP-RY—爪极与转子轭之间热阻、RY-MF—定子轭与机壳之间热阻、RY-EW—绕组与端部绕组之间热阻、RY-T—定子轭与齿之间热阻、RT-CP—定子齿与爪极之间热阻、RF-CP—铁氧体与爪极之间热阻、RExW-CP—励磁绕组与爪极之间热阻;对流热阻包括R0—机壳与空气之间热阻、REW-IA—端部绕组与内部空气之间热阻;
损耗包括PT—定子齿部铁耗、PW—槽中绕组焦耳损耗、PExW—励磁绕组焦耳损耗、PY—定子轭部铁耗、PEW—端部绕组焦耳损耗、PF—铁氧体中涡流损耗;
步骤2、爪极发电机集总热网络模型关键热参数校准
步骤2.1进行直流测试,测试时在交流电机的定子绕组中通入直流电流,整个电机中只有定子铜耗,不存在其它形式的损耗,直流测试用来校准等效绕组的热导率;随后进行交流测试,交流测试的目的是校准爪极发电机集总参数热网络模型中的机壳表面散热系数和绕组端部散热系数;
步骤2.2首先利用爪极发电机集总参数热网络模型计算直流测试所对应的发电机温度,计算结果与爪极发电机的直流测试结果相对比,反复修正等效绕组热导率,使计算结果与直流测试结果相一致,从而校准了等效绕组热导率与绕组温度的函数关系;
步骤2.3利用爪极发电机集总参数热网络模型和经直流测试校准后的等效绕组热导率计算交流测试相对应的发电机温度;计算的温度结果与交流测试结果相对比,采用最小二乘法对机壳表面散热系数和绕组端部散热系数进行修正并不断更新,直至所得计算值与实际测量值的相对误差低于8%;最后,通过非线性拟合方法确定机壳表面散热系数和绕组端部散热系数与环境温度的函数关系。此时所对应的机壳表面散热系数和绕组端部散热系数即为爪极发电机集总参数热网络模型的低误差关键热参数;
步骤3、爪极发电机集总热网络模型瞬态温度监测及后处理
根据计算迭代步长实时更新爪极发电机不同工况下爪极发电机集总参数热网络模型中的定子铜耗、转子铜耗、铁耗,将经过精确校准的低误差关键热参数应用于爪极发电机集中热网络模型之中,便可得到发电机在不同工况下运行时的各部件温度,实现对爪极发电机各部件瞬态温度的检测。
2.根据权利要求1所述的一种具备热参数校准功能的爪极发电机瞬态温度监测方法,其特征是:步骤1中初始爪极发电机集总热网络模型建立过程为:将爪极发电机中的机壳、定子铁芯、定子绕组、转子铁心、转子励磁绕组和永磁体均定义为单元,将爪极发电机的定子绕组、转子励磁绕组、定子铁芯、永磁体这些产生热量的组成部件等效成为发热源单元,将具有相同温度的单元集总成为一个关键节点,随后按照爪极发电机各组成部件之间的物理连接关系,确定各节点之间的传导热阻和对流热阻。
3.根据权利要求1所述的一种具备热参数校准功能的爪极发电机瞬态温度监测方法,其特征是:步骤2.1中交流测试是指保持发电机端电压不变的条件下,利用预埋在绕组中的热电偶及温度巡检仪,通过温升测试平台改变环境温度,分别测试在23℃和80℃两种环境温度下,发电机在1500-15000rpm转速下的输出电流和稳态温度。
4.根据权利要求1所述的一种具备热参数校准功能的爪极发电机瞬态温度监测方法,其特征是:在所述步骤2.2中,确定的爪极发电机绕组的热导率更新值Ks2为:
Ks2=0.25123+0.00132T 公式2)
其中,T为绕组温度。
5.根据权利要求1所述的一种具备热参数校准功能的爪极发电机瞬态温度监测方法,其特征是:步骤2.3中同步地对机壳表面散热系数、绕组端部散热系数的数值大小修正更新,并将满足所设定的相对误差下的关键热参数数值定义为已精确校准的关键热参数,定义多组温度、多组转速下的关键热参数与关键热参数初值的数值比值为关键热参数修正系数,机壳散热系数修正系数p和绕组端部散热系数修正系数q,分别如公式3)、公式4)所示;
p=-0.84413+2.12741×10-5×n+0.54336×T0.39751+1.04×10-12×n×T0.39751 公式3)
式中,n是发电机转速,单位为rpm,T为环境温度,取值范围为23℃-80℃;则经过校准后的爪极发电机机壳散热系数计算公式为
αHou=p*(15.6+V0.62) 公式5)
校准后绕组端部散热系数计算公式为
αEnd=q*(VEndλa/dEnd) 公式6)
其中,V为气流速度,VEnd为绕组端部气流速度,dEnd为端部等效直径;将修正后的散热系数αHou和αEnd应用于爪极发电机集总热网络模型中。
6.根据权利要求1所述的一种具备热参数校准功能的爪极发电机瞬态温度监测方法,其特征是:在步骤2.3利用爪极发电机集总参数热网络模型计算交流测试相对应的发电机温度时,使用的等效绕组热导率为经直流测试校准后的等效绕组热导率Ks2,确保了热计算的准确性。
7.根据权利要求1所述的一种具备热参数校准功能的爪极发电机瞬态温度监测方法,其特征是:,在所述步骤2.3中对关键参数计算值进行修正时将环境温度作为模型的输入量。
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EP3926426A1 (en) * | 2020-06-15 | 2021-12-22 | ABB Schweiz AG | Method of monitoring an electrical machine |
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WO2021254986A1 (en) * | 2020-06-15 | 2021-12-23 | Abb Schweiz Ag | Method of monitoring an electrical machine |
CN112213638A (zh) * | 2020-10-28 | 2021-01-12 | 瑞声新能源发展(常州)有限公司科教城分公司 | 一种电机线圈的发热状态监测方法、相关设备和介质 |
CN117172058A (zh) * | 2023-09-01 | 2023-12-05 | 哈尔滨理工大学 | 屏蔽电机定子端部温度的数字孪生方法 |
CN117172058B (zh) * | 2023-09-01 | 2024-04-19 | 哈尔滨理工大学 | 屏蔽电机定子端部温度的数字孪生方法 |
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