CN113111556B - 一种超重力环境下考虑磁场与应力影响的感应电机铁耗分析方法 - Google Patents
一种超重力环境下考虑磁场与应力影响的感应电机铁耗分析方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种超重力环境下考虑磁场与应力影响的感应电机铁耗分析方法，属于电机本体性能分析领域。该方法对在超重力环境下运行的感应电机进行分析，得到了感应电机在超重力环境下运行时内部磁场、应力场以及各位置的磁化方式分布情况。以此为基础，建立了超重力环境下感应电机分块物理结构，利用超重力环境下考虑磁场与应力影响的三项变系数铁耗模型，实现了对超重力环境下的感应电机的铁耗性能的分析。
Description
技术领域
本发明属于电机本体性能分析领域，具体涉及一种超重力环境下考虑磁场与应力影响的感应电机铁耗分析方法。
背景技术
随着时代的发展，电机广泛的应用于社会各行各业，并逐渐开始在诸如深海、航空、超重力等特殊环境下运行，为社会带来了大量的经济价值。超重力场会在电机内部产生应力场，硅钢片等电机材料受应力作用时，磁性能会发生变化，进而导致电机整体性能变化。硅钢片的这一性能被称为力磁耦合效应。国外学者最早研究力磁耦合效应，认为硅钢片的磁性能与其受到的应力是互相影响的，并通过实验研究了应力对其磁化特性的影响。众多学者在此基础之上，开展了剪切应力、装配应力、热应力等多种应力对硅钢片与电机性能影响。超重力环境下运行的电机，其内部分布的应力场没有规律，并且应力值巨大，无法忽略。此时的电机***也是超重力场、电磁场耦合作用的新型复杂多变量***。传统的电机铁耗分析均是基于常规重力场进行的，并未综合考虑超重力环境下磁场与应力场等多物理场的相互所用与耦合规律和影响，因此并不适合于超重力环境下电机铁耗分析。
目前，铁耗计算的常用方法是Bertotti三项式铁耗模型。此模型在计算常规低速电机的铁耗时结果准确，并且模型简单，物理意义明确，获得了学界的广泛认可。Bertotti三项式铁耗模型依据铁耗的产生原因，将电机总铁耗分为磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗三个部分。
pFe＝ph+pc+pe＝khfBα+kcf2B2+kef1.5B1.5
Bertotti三项式铁耗模型的缺点是，第一，它要求电机中的磁通密度B是正弦变化的。当磁通密度B含有高次谐波时，铁耗模型应该是各次谐波的叠加。第二，当硅钢片工作在自己磁特性的线性特性区域时，模型才使用。当硅钢片工作于非线性区的时候，此时磁滞损耗系数kh，涡流损耗系数kc，附加损耗系数ke不再是常数，而应该是随着磁通密度变化的函数。第三，它只适用于计算常规环境下的感应电机铁耗，对于超重力环境下的电机，他无法考虑感应电机内部的应力场对感应电机铁耗的影响。同时，该模型也不能考虑磁化方式对感应电机铁耗的影响。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种超重力环境下考虑磁场与应力场影响的感应电机铁耗分析方法，该方法建立了超重力环境下的三项变系数铁耗性模型，能***解决超重力环境下感应电机铁耗分析计算问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超重力环境下考虑磁场与应力影响的感应电机铁耗分析方法，包括如下步骤：
(1)通过有限元方法分析在超重力环境下的感应电机内部磁场、应力场与不同位置的磁化方式分布；
(2)建立超重力环境下感应电机的分块物理结构，并为分块结构中每块材料赋予相应的参数值；
(3)利用超重力环境下考虑磁场与应力影响的感应电机三项变系数铁耗模型，分析得到感应电机铁耗值。
本发明的有益技术效果如下：本发明提出了一种超重力环境下考虑磁场与应力场影响的感应电机铁耗分析方法，将超重力环境下感应电机的物理结构进行了分块，每块感应电机材料的参数赋值由该处的磁化方式和应力决定，并基于此建立了能够考虑应力与磁化方式影响的超重力环境下的感应电机三项变系数铁耗模型，通过该方法能同时考虑应力场与磁场对感应电机性能的影响，实现对超重力环境下感应电机铁耗的分析，使得铁耗的计算更为合理准确。
附图说明
图1为600g超重力环境下电机性能分析步骤示意图。
图2为运行在600g超重力环境下的感应电机定转子上的应力场分布图。
图3为运行在600g超重力环境下的感应电机磁感应强度分布图。
图4为感应电机在600g环境下的分块物理结构图。
图5为感应电机在600g环境下的铁耗曲线仿真结果。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
分析方法如图1所示。首先使用有限元法对运行在超重力环境下的感应电机内部磁场、应力场与各位置的磁化方式进行仿真分析。磁化方式是指感应电机运行时，主磁场在铁芯内的变化方式，有交变磁化和旋转磁化两种，交变磁化的磁感应强度的数值随时间变化，但是其方向不变；旋转磁化的磁感应强度的数值和方向都随时间变化。利用感应电机内部磁场分析结果，结合下式求出各位置的径向交变磁场Br和沿着切向的切向交变磁场Bt。
Br＝Bxcosα1+Bysinα1＝Bsinα0
Bt＝Bycosα1-Bxsinα1＝Bcosα0
其中，B为磁感应强度，Bx和By为磁感应强度在x轴和y轴的分量，α1为位置角，α0为磁化倾角。
利用下式求出各位置轴比与磁化倾角：
α＝Bmax/Bmin
其中，α为轴比，Bmax是旋转磁化的长轴大小，Bmin是旋转磁化短轴的大小。
根据轴比判断一个位置的磁化方式是交变磁化还是旋转磁化。当某个位置的轴比值大于10，认为该位置是交变磁化，否则认为该位置是旋转磁化。
结合上述分析得到的感应电机磁场、应力场以及各位置磁化方式，建立感应电机的分块物理结构，确保分块物理结构建立完毕之后，每块内部的应力场大小以及磁化方式是相同的。并赋予他们与此应力场大小与磁化方式相对应的硅钢片磁感特性和铁耗特性参数。
最后在感应电机的分块物理结构的基础上，对超重力环境下运行的感应电机进行铁耗性能仿真分析。此时的感应电机铁耗模型应该如下式所示：
交变磁化作用区域：
旋转磁化作用区域：
其中，pFe为硅钢片的损耗系数，ph为磁滞损耗，pc为涡流损耗，pe为附加损耗，f为频率，k为谐波次数，B为磁感应强度，α为经验系数，通常取1.2；kh为磁滞损耗系数，kc为涡流损耗系数，ke为附加损耗系数，α0为磁化倾角，σ为应力；即，在交变磁化作用区域，超重力环境下的感应电机铁耗模型只与应力有关，其三个铁耗系数分别为kh(σ)、kc、ke(σ)；而在旋转磁化作用区域，超重力环境下的感应电机铁耗模型不止与应力有关，还与旋转磁化的磁化倾角有关，其三个铁耗系数分别为kh(σ，α0)、kc、ke(σ，α0)。
以下实施方式以一台运行在600g超重力环境下的感应电机为例，基于上述的步骤，利用仿真分析对该电机的铁耗性能进行了分析。
建立该感应电机的模型，利用ANSYS workbench静力学模块对该感应电机在600g环境下的定转子内部应力场进行分析。该电机使用的材料是型号为B50A470型号的硅钢片。此硅钢片密度为7700kg/m3，杨氏模量为2×1011Pa，泊松比为0.27。可以得到感应电机定转子上应力场分布如图2所示，其中左图对应定子，右图对应转子。利用Maxwell对该感应电机的磁场进行分析，得到感应电机的磁感应强度云图如图3所示。根据磁场分析结果，结合下式求出各位置的径向交变磁场Br和沿着切向的切向交变磁场Bt。
Br＝Bxcosα1+Bysinα1＝Bsinα0
Bt＝Bycosα1-Bxsinα1＝Bcosα0
以及各位置轴比与磁化倾角：
α＝Bmax/Bmin
根据轴比判断一个位置的磁化方式是交变磁化还是旋转磁化。当某个位置的轴比值大于10，认为该位置是交变磁化，否则认为该位置是旋转磁化。可以得到不同位置的磁化方式：定子齿区域为交变磁化；定子轭底区域也是交变磁化；只有定子齿底到定子轭中部这一区域是旋转磁化。
综合上述应力场分布、磁场与磁化方式的分析结果可以建立感应电机在600g环境下的分块物理结构，确保分块物理结构建立完毕之后，每块内部的应力场大小以及磁化方式是相同的，并赋予他们与此应力场大小与磁化方式相对应的参数值，分块结果如图4所示。对其中几块进行解释说明，其中，编号1的区域是应力大小为5Mpa，交变磁化作用区域。编号2的区域是应力大小为5Mpa，旋转磁化作用区域。编号3的区域是应力大小为10Mpa，交变磁化作用区域。编号4的区域是应力大小为10Mpa，旋转磁化作用区域。编号5的区域是应力大小为30Mpa，交变磁化作用区域。在该模型的基础上，使用超重力环境下考虑磁场与应力影响的感应电机三项变系数铁耗模型：
交变磁化作用区域：
旋转磁化作用区域：
得到的感应电机铁耗图如图5所示。可知，在600g超重力环境下，感应电机铁耗平均值为241.67W。
上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种超重力环境下考虑磁场与应力影响的感应电机铁耗分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过有限元方法分析在超重力环境下的感应电机内部磁场、应力场与不同位置的磁化方式分布；
(2)建立超重力环境下感应电机的分块物理结构，并为分块结构中每块材料赋予相应的参数值；
(3)利用超重力环境下考虑磁场与应力影响的感应电机三项变系数铁耗模型，分析得到感应电机铁耗值；所述的步骤(3)中对感应电机铁耗进行分析时，所述的超重力环境下考虑磁场与应力影响的感应电机三项变系数铁耗模型如下：
交变磁化作用区域：
旋转磁化作用区域：
其中：pFe为硅钢片的损耗系数，ph为磁滞损耗，pc为涡流损耗，pe为附加损耗，f为频率，k为谐波次数，B为磁感应强度，α为经验系数，通常在1.2左右；kh为磁滞损耗系数，kc为涡流损耗系数，ke为附加损耗系数，α0为磁化倾角，σ为应力；即，在交变磁化作用区域，超重力环境下的感应电机铁耗模型只与应力有关，其三个铁耗系数分别为kh(σ)、kc、ke(σ)；而在旋转磁化作用区域，超重力环境下的感应电机铁耗模型不止与应力有关，还与旋转磁化的磁化倾角有关，其三个铁耗系数分别为kh(σ,α0)、kc、ke(σ,α0)。
2.根据权利要求1所述的超重力环境下考虑磁场与应力影响的感应电机铁耗分析方法，其特征在于：所述的步骤(1)中利用有限元方法进行分析时，需要得到超重力环境下感应电机各位置的应力场、磁场数据，以及各位置的磁化方式；所述的磁化方式是指感应电机运行时，主磁场在铁芯内的变化方式，分为交变磁化和旋转磁化两种，各位置磁化方式由该位置的轴比α确定：
α＝Bmax/Bmin
其中，Bmax是旋转磁化的长轴大小，Bmin是旋转磁化短轴的大小；当某个位置的轴比值大于10，即(Bmax)2是(Bmin)2的100倍以上时，认为该位置是交变磁化，否则为旋转磁化。
3.根据权利要求1所述的超重力环境下考虑磁场与应力影响的感应电机铁耗分析方法，其特征在于：所述的步骤(2)中建立超重力环境下感应电机的分块物理结构时，根据各位置的磁化方式与受到的应力进行分块，每块内部的应力场大小以及磁化方式相同。
4.根据权利要求1所述的超重力环境下考虑磁场与应力影响的感应电机铁耗分析方法，其特征在于：所述的步骤(2)中为每块感应电机材料赋予相应的参数值时，其参数由该处的磁化方式与应力决定；所述的参数值包括硅钢片磁感特性和铁耗特性参数。
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| CN106326595B (zh) * | 2016-09-06 | 2019-05-31 | 中国矿业大学 | 一种改进的开关磁阻电机铁耗计算模型建立方法 |
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN110378027A (zh) * | 2019-07-22 | 2019-10-25 | 合肥工业大学 | 考虑磁密轴向分布的电机空载损耗与电磁转矩计算方法 |
| CN110968969A (zh) * | 2019-12-11 | 2020-04-07 | 国网浙江省电力有限公司岱山县供电公司 | 异步电机铁心损耗分析方法 |
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