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申请/专利权人：西安交通大学

摘要：基于有限元分析和本征正交分解的矿用电机三维全域温度场的快速计算方法，通过对具体电机进行三维温度场有限元建模，将电机的散热系数、电机损耗带入计算，选取电机输出功率P作为电机温度场T的系统参数，得到电机在不同负载下稳态运行时的三维温度场分布情况记T1,T2,...,T12，将这些温度场作为观测矩阵，计算它们的平均矩阵作为参考矩阵T0，利用{T1,T2,T3,...,T10,T11,T12}和T0计算偏差矩阵δ和协方差矩阵R，利用协方差矩阵R求取特征向量即可得到本征模态正交基Φ＝{ψ1,ψ2,ψ3,ψ4,ψ5,ψ6,ψ7,ψ8,ψ9}，再利用偏差矩阵Π和本征模态正交基Φ进行迦辽金投射，即可求解出相应观测状态的本征正交模态系数bn,i，在新的温度场中，利用bn,i求取新状态下的本征正交模态系数bnew,i，通过bnew,i、T0和Φ即可求取新状态下的温度场分布Tnew。本发明方法中建立电机三维温度场的本征正交分解模型为独立前处理部分，对同一矿用电机系统只需进行一次建模。利用本发明方法能够快速计算出较为精确的电机三维温度场。

主权项：1.基于有限元分析和本征正交分解的矿用电机三维全域温度场的快速计算方法，其特征在于：对于同一矿用电机只需进行一次建模，能够快速计算出较为精确的矿用电机三维温度场；包括如下步骤：步骤1：通过有限元方法，考虑磁场的耦合效应，求解出矿用电机内的电磁场，并基于该电磁场建立矿用电机三维电磁场的有限元模型，得到矿用电机的电流、电流密度、磁密；步骤2：利用热传导的三类边界条件定义矿用电机的三维稳态传热数学模型： 式中：S1、S2、S3—边界面；T—计算区域温度；T0—温度值；Tf—冷却介质温度；λ—材料的导热系数；α—散热系数；n—分界面法线方向矢量；q0—通过边界面的热流密度；针对矿用电机，各个参量的计算如下：计算气隙导热系数：将气隙内空气视为静止流体，引入有效导热系数λeff，公式如下： 式中：Reair—气隙中的雷诺数；D1—转子外径；Di1—定子内径；η—D1Di1； —转子圆周速率；δ—气隙长度；vair—空气粘度系数；计算机壳外表面散热系数α1： 式中：vs—机壳表面空气流速；计算机壳中水冷冷却水套表面散热系数，将其视为强制对流换热，水套表面散热系数α2为： 式中： —冷却水努赛尔特常数；λw—冷却水的导热系数；dw—水套直径；Rew—冷却水雷诺数；vw—水的粘度系数；vv—冷却水流速；Prw—冷却水普朗克数；Pr32.5—水在32.5℃的普朗特数；计算定子铁芯端面与矿用电机内空气接触表面的散热系数α3： 计算转子铁芯端面与矿用电机内空气接触表面的散热系数α4： 式中： —转子铁芯端面努赛尔特常数；Rer—转子铁芯端部雷诺数；λair—空气的导热系数；n0—转速；计算端环端面与矿用电机内空气接触表面的散热系数α5： 式中： —端环的努赛尔特常数；Rerf—转子铁芯端部雷诺数；hrf—转子风叶高度；计算定子结缘结构导热系数λ′： 式中：di—定子槽内所有绝缘材料的等效厚度；λi—绝缘材料的导热系数；m—绝缘材料的种类；步骤3：利用步骤2中计算的参数λeff、α1、α2、α3、α4、α5、λ′，结合公式1即能够定义矿用电机的三维稳态传热数学模型，再将其结合到到步骤1中建立的矿用电机三维电磁场的有限元模型中即能建立矿用电机的三维稳态温度场有限元模型；步骤4：定义矿用电机的空间温度场为Tx,y,z，基于步骤3中建立的矿用电机的三维稳态温度场有限元模型，在不同给定负载情况下计算矿用电机空间温度场；取12组不同温度场，分别将其记为T1x,y,z,T2x,y,z,...,T12x,y,z；步骤5：根据本征正交分解原理，矿用电机的空间温度场展开为： 式中：T0x,y,z—参考模态；bn,i—模态系数；ψix,y,z—本征正交模态；利用步骤4中矿用电机在不同负载下的空间温度场，计算参考模态矩阵T0：T0＝T1+T2+,...,+T11+T1212公式9利用{T1,T2,T3,...,T10,T11,T12}和T0计算偏差矩阵Π{δ1,δ2,δ3,...,δ10,δ11,δ12}:Ti＝T0+δi公式10利用求得的偏差矩阵Π计算协方差矩阵R：R＝E[Πx,y,zΠx,y,zT]公式11式中：E—期望算子；利用协方差矩阵R即能求得其对应的特征值λk和特征方程ψk：Rψk＝λkψk公式12取前九阶特征向量组成本征模态正交基Φ＝{ψ1,ψ2,ψ3,ψ4,ψ5,ψ6,ψ7,ψ8,ψ9}；利用偏差矩阵Π和本征模态正交基Φ进行迦辽金投射，即求解出相应观测状态的本征正交模态系数bn,i：bn,i＝δ1·ψk公式13步骤6：对新状态下的电机温度场Tnewx,y,z进行快速计算，将其按步骤5中展开： 新状态下的本征正交模态系数bnew,i采用矢量插值法计算： 式中：bnew—矢量插值得到的新状态下的本征正交模态系数；Pnew—新状态下电机输出功率；Pi+1，Pi—新状态Pnew相邻状态的电机输出功率；bi+1，bi—状态观测参数；通过以上步骤，即实现矿用电机三维全域温度场的快速计算。

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