一种中小功率外转子无刷直流电机温升分析方法及装置

1.本发明涉及一种中小功率外转子无刷直流电机温升分析方法及装置，属于电机热分析技术领域。


背景技术：

2.外转子无刷直流电机由于其功率密度和转矩密度较高等优点，在低速大转矩、直接驱动等场合得到越来越多的应用，电机功率等级多数为中小功率。通常在低速大转矩、直接驱动等场合下，要求外转子无刷直流电机体积和质量要尽可能地小，并且安装空间较为封闭，从而就会导致温升高、散热困难等问题，而温升会直接影响到电机的使用寿命和可靠性，所以对外转子无刷直流电机进行热分析尤为重要。
3.目前电机热分析常用方法有：有限元法、计算流体力学法和集总参数热网络法。有限元法可以获得电机中温度场的分布，以及热点的具体温度和位置。计算流体动力学法将电机的温度场和流体场耦合，可以精确计算电机内各接触面的传热系数、流体流动状态和温度场分布。集总参数热网络法通过使用互连的热阻和热电容等集总参数来表示电机的各种结构部件，简化了计算模型，可以快速获得每个节点的温度。前两种方法的缺点都是计算过程复杂且耗时，集总参数热网络法的缺点是不能获得空间中特定点的温度场分布。与前两种方法相比，集总参数热网络法由于其计算时间短、计算模型简单的优点，在国内外得到了广泛的应用。而传统的集总参数热网络法是单向磁热耦合，并未考虑温度对铜绕组和永磁体材料的影响，这会导致计算结果出现误差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种中小功率外转子无刷直流电机温升分析方法及装置，既能提高计算速度，又能保证结果精度，实现了双向耦合迭代。
5.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
6.第一方面，本发明提供了一种中小功率外转子无刷直流电机温升分析方法，包括：
7.根据预先获取的电机结构参数，将外转子无刷直流电机各部件用等效热阻代替，建立电机集总参数热网络模型，并选取温升节点和损耗节点；
8.根据建立的电机集总参数热网络模型，结合电机内部和外部的传热情况对等效热阻进行分类计算；
9.初始温度设定步骤，包括：设定初始温度，计算在初始温度下电枢绕组损耗，将电枢绕组损耗作为热源添加至电机集总参数热网络模型的损耗节点中；
10.根据计算得到的等效热阻和电枢绕组损耗列写各温升节点和损耗节点的热平衡方程，并将其联立呈矩阵形式，通过求解矩阵得到各节点的温升；
11.将各节点的温升与初始温度做差值判断是否达到收敛误差，若没达到，则返回初始温度设定步骤并重新更新初始温度值；若达到，则输出计算结果。
12.进一步的，所述根据建立的电机集总参数热网络模型，结合电机内部和外部的传
热情况对等效热阻进行分类计算，包括：
13.计算端盖与环境对流换热热阻，公式如下：
[0014][0015][0016]
其中r
ec[f]
、r
ec[r]
分别为前、后端盖半径，r
bs[f]
、r
bs[r]
分别为前、后轴承半径，l
air1
、l
air2
分别为前、后端盖与前、后轴承间的接触间隙，h
ec[f]-amb
、h
ec[r]-amb
分别为前端盖和后端盖与外部空气对流换热系数，计算公式为：
[0017][0018]
其中t
amb
为外部环境温度；
[0019]
计算端盖内侧与端部空气对流换热热阻，公式如下：
[0020][0021][0022]
其中h
ec[f]-es[f]
、h
ec[r]-es[r]
分别为前端盖和后端盖内侧与端部空气对流换热系数，计算公式为：
[0023][0024]
其中ωr为转子角速度，dr为转子外径；
[0025]
计算机壳与环境对流换热热阻，公式如下：
[0026][0027]
其中r
housing
为机壳半径，l
housing
为机壳轴向长度，h
hs-amb
为机壳与外部空气对流换热系数，其计算公式为：
[0028][0029]
计算端盖与机壳接触热阻，公式如下：
[0030][0031][0032]
其中λ
ec[f]
、λ
ec[r]
分别为前、后端盖导热系数，l
air3
、l
air4
分别为前、后端盖与机壳接触间隙，λ
air3
、λ
air4
分别为前、后端盖与机壳接触间隙导热系数，l
ec[f]
、l
ec[r]
分别为前、后端盖轴向长度，t
hs
为机壳厚度，λ
hs
为机壳导热系数；
[0033]
计算机壳热阻，公式如下：
[0034][0035]
计算端盖与轴承接触热阻，公式如下：
[0036][0037][0038]
其中λ
air1
、λ
air2
分别为前、后端盖与前、后轴承接触间隙导热系数，λ
bs[f]
、λ
bs[r]
分别为前、后轴承导热系数；
[0039]
计算轴承与转轴接触热阻，公式如下：
[0040][0041][0042][0043]
其中l
bs[f]
、l
bs[r]
分别为前、后轴承轴向长度，t
bs[f]
、t
bs[r]
分别为前、后轴承厚度，l
air5
、l
air6
分别为前、后轴承与前、后转轴接触间隙，λ
air5
、λ
air6
分别为前、后轴承与前、后转轴接触间隙导热系数，r
ax[f]
、r
ax[r]
分别为前、后转轴半径，λ
ax[f]
、λ
ax[r]
分别为前、后转轴导热系数；
[0044]
计算转轴热阻，公式如下：
[0045][0046]
其中l
ax
为转轴轴向长度；
[0047]
计算转轴与环境对流换热热阻，公式如下：
[0048][0049]hax[f]-amb
、h
ax[f]-amb
分别为前、后转轴与外部空气对流换热系数，计算公式为：
[0050][0051]
计算转子铁心与机壳接触热阻，公式如下：
[0052][0053]
其中r
rl
为转子铁心半径，λ
rl
为转子铁心热导率，l
rl
为转子铁心轴向长度，t
rl
为转子铁心厚度，l
air7
为转子铁心与机壳接触间隙，λ
air7
为转子铁心与机壳接触间隙导热系数；
[0054]
计算转子铁心与端部空气对流换热热阻，公式如下：
[0055][0056]
其中h
rl-es[f]
、h
rl-es[r]
分别为转子铁心与前、后端部空气对流换热系数，计算公式如下：
[0057][0058]
其中vr是转子旋转时的表面线速度；
[0059]
计算永磁体与转子铁心接触热阻，公式如下：
[0060][0061]
其中t
mag
为永磁体厚度，λ
mag
为永磁体导热系数，l
magarc
为永磁体极弧长，l
mag
为永磁体轴向长度，n
p
是电机极数，l
air8
是永磁体与转子铁心接触间隙，λ
air8
为永磁体与转子铁心接触间隙导热系数；
[0062]
计算永磁体热阻，公式如下：
[0063][0064]
计算永磁体与端部空气对流换热热阻，公式如下：
[0065][0066]
其中h
mag-es[f]
、h
magnet-es[r]
分别为永磁体与前、后端部空气对流换热系数，计算公式为：
[0067][0068]
计算气隙热阻，公式如下：
[0069][0070]
其中r
ag
为气隙半径，h
ag
为气隙对流换热系数，计算公式为：
[0071][0072]
其中nu为空气的努赛尔数，λ
ag
为气隙等效导热系数，l
ag
为气隙长度；
[0073]
计算有效绕组热阻，公式如下：
[0074][0075]
其中l
sl
为定子铁心轴向长度，λw为绕组等效导热系数，k
slot
为槽满率，s
slot
为槽面
积，ns为电机槽数；
[0076]
计算端部绕组热阻，公式如下：
[0077][0078]
其中l
ew[f]
、l
ew[r]
分别为前、后端部绕组长度，λ
ew[f]
、λ
w[r]
分别为前、后端部绕组等效导热系数，s
ew[f]
、s
ew[r]
分别为前、后端部绕组总表面积；
[0079]
计算端部绕组与端部空气对流换热热阻，公式如下：
[0080][0081]
其中h
ew[f]-es[f]
、h
ew[r]-es[r]
分别为前、后端部绕组与端部空气对流换热系数，计算公式为：
[0082][0083]
计算定子轭热阻，公式如下：
[0084][0085]
其中λ
sy
为定子轭导热系数，l
air9
为定子轭与转轴接触间隙，t
sy
为定子轭厚度；
[0086]
计算定子轭与转轴接触热阻，公式如下：
[0087][0088]
其中λ
air9
为定子轭与转轴接触间隙导热系数；
[0089]
计算有效绕组、槽绝缘与定子轭接触热阻，公式如下：
[0090][0091]
其中l
slot
为定子槽深，d
sb
为定子槽底宽，t
l
为槽绝缘厚度，λ
l
为槽绝缘导热系数；
[0092]
计算定子齿热阻，公式如下：
[0093][0094]
其中λ
st
为定子齿导热系数，s
st
为单个定子齿表面积；
[0095]
计算有效绕组、槽绝缘与定子齿接触热阻，公式如下：
[0096][0097]
其中d
slot
为定子槽平均宽度，d
st
为定子齿宽。
[0098]
进一步的，所述等效热阻包括传导热阻、接触热阻和对流热阻。
[0099]
进一步的，所述电枢绕组损耗分为前端部绕组损耗、有效绕组损耗、后端部绕组损耗。
[0100]
进一步的，还包括计算电机其他损耗，所述电机其他损耗包括定子齿部、定子轭部、转子、永磁体、轴承以及风磨损耗。
[0101]
进一步的，所述电机集总参数热网络模型的温升节点包括：前、后端盖温升节点，机壳机壳各分段温升节点，前、后轴承温升节点，转子铁心温升节点，永磁体温升节点，转子表面温升节点，定子齿表面温升节点，前、后端部绕组温升节点，定子槽壁温升节点，有效绕组温升节点，定子齿部温升节点，定子轭部温升节点，转轴各分段温升节点。
[0102]
进一步的，所述电机集总参数热网络模型的损耗节点包括：转子损耗节点，永磁体损耗节点，1/2风摩损耗节点，前、后端部绕组损耗节点，有效绕组损耗节点，前、后轴承损耗节点，定子轭部损耗节点，定子齿部损耗节点。
[0103]
第二方面，本发明提供一种中小功率外转子无刷直流电机温升分析装置，包括：
[0104]
模型建立模块，用于根据预先获取的电机结构参数，将外转子无刷直流电机各部件用等效热阻代替，建立电机集总参数热网络模型，并选取温升节点和损耗节点；
[0105]
分类计算模块，用于根据建立的电机集总参数热网络模型，结合电机内部和外部的传热情况对等效热阻进行分类计算；
[0106]
初始温度设定模块，用于设定初始温度，计算在初始温度下电枢绕组损耗，将电枢绕组损耗作为热源添加至电机集总参数热网络模型的损耗节点中；
[0107]
温升计算模块，用于根据计算得到的等效热阻和电枢绕组损耗列写各温升节点和损耗节点的热平衡方程，并将其联立呈矩阵形式，通过求解矩阵得到各节点的温升；
[0108]
判断模块，用于将各节点的温升与初始温度做差值判断是否达到收敛误差，若没达到，则返回初始温度设定模块并重新更新初始温度值；若达到，则输出计算结果。
[0109]
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括处理器及存储介质；
[0110]
所述存储介质用于存储指令；
[0111]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据前述任一项所述方法的步骤。
[0112]
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前述任一项所述方法的步骤。
[0113]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
[0114]
本发明提供一种中小功率外转子无刷直流电机温升分析方法及装置，该方法建立了详细的中小功率外转子无刷直流电机的集中参数热网络模型，其中，电枢绕组被细分为前端部绕组、有效绕组、后端部绕组，绕组损耗被细分为前端部绕组损耗、有效绕组损耗、后端部绕组损耗，考虑了温度对铜材料的影响，使用了双向耦合迭代，弥补了传统集总参数热网络法单向耦合的精度缺陷，该方法可以快速准确地得到中小功率外转子无刷直流电机的
稳态温度分布。
附图说明
[0115]
图1是本发明实例的电机径向结构示意图；
[0116]
图2是本发明实例的电机轴向结构示意图；
[0117]
图3是本发明实例的电机径向和轴向混合集总参数热网络模型示意图；
[0118]
图4是本发明的流程示意图。
具体实施方式
[0119]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0120]
实施例1
[0121]
本实施例介绍一种中小功率外转子无刷直流电机温升分析方法，包括：
[0122]
根据预先获取的电机结构参数，将外转子无刷直流电机各部件用等效热阻代替，建立电机集总参数热网络模型，并选取温升节点和损耗节点；
[0123]
根据建立的电机集总参数热网络模型，结合电机内部和外部的传热情况对等效热阻进行分类计算；
[0124]
初始温度设定步骤，包括：设定初始温度，计算在初始温度下电枢绕组损耗，将电枢绕组损耗作为热源添加至电机集总参数热网络模型的损耗节点中；
[0125]
根据计算得到的等效热阻和电枢绕组损耗列写各温升节点和损耗节点的热平衡方程，并将其联立呈矩阵形式，通过求解矩阵得到各节点的温升；
[0126]
将各节点的温升与初始温度做差值判断是否达到收敛误差，若没达到，则返回初始温度设定步骤并重新更新初始温度值；若达到，则输出计算结果。
[0127]
如图4所示，本实施例提供的中小功率外转子无刷直流电机温升分析方法，其应用过程具体涉及如下步骤：
[0128]
步骤1：确定电机参数，建立电机集总参数热网络模型，如图3所示，并选取温升节点和损耗节点。
[0129]
t
ec[f]
、t
ec[r]
分别代表前、后端盖温升，t
hs1
、t
hs2
、t
hs3
、t
hs4
、t
hs5
分别代表机壳机壳各分段温升，t
bs[f]
、t
bs[r]
分别代表前、后轴承温升，t
rl
代表转子铁心温升，t
mag
代表永磁体温升，t
rs
代表转子表面温升，t
ss
代表定子齿表面温升，t
ew[f]
、t
ew[r]
分别代表前、后端部绕组温升，t
sw
代表定子槽壁温升，tw代表有效绕组温升，t
st
代表定子齿部温升，t
sy
代表定子轭部温升，t
ax1
、t
ax2
、t
ax3
、t
ax4
、t
ax5
分别代表转轴各分段温升。
[0130]
p
rl
代表转子损耗，p
mag
代表永磁体损耗，p
wa/2
代表1/2风摩损耗，p
ew[f]
、p
ew[r]
分别代表前、后端部绕组损耗，pw代表有效绕组损耗，p
bs[f]
、p
bs[r]
分别代表前、后轴承损耗，p
sy
代表定子轭部损耗，p
st
代表定子齿部损耗。
[0131]
以一台额定转速2800rpm、额定功率3.5kw外转子无刷直流电机为例，电机的尺寸参数如表1所示，径向结构和轴向结构如图1、2所示。
[0132]
表1电机参数
[0133]
参数数值参数数值
极数20转子内径/mm121槽数24铁心长度/mm50定子外径/mm120永磁体厚度/mm4定子内径/mm74气隙长度/mm0.5转子外径/mm139转轴直径/mm55
[0134]
步骤2：根据电机内部和外部的传热情况对等效热阻进行分类计算，主要分为传导热阻、接触热阻和对流热阻，其中，考虑到电枢绕组端部与中间部分散热情况的不同，将电枢绕组分为前端部绕组、有效绕组、后端部绕组。具体的等效热阻计算公式如下：
[0135]
(1)端盖与环境对流换热热阻：
[0136][0137][0138]rec[f]
、r
ec[r]
分别为前、后端盖半径，r
bs[f]
、r
bs[r]
分别为前、后轴承半径，l
air1
、l
air2
分别为前、后端盖与前、后轴承间的接触间隙，h
ec[f]-amb
、h
ec[r]-amb
分别为前端盖和后端盖与外部空气对流换热系数，计算公式为：
[0139]
t
amb
为外部环境温度
[0140]
(2)端盖内侧与端部空气对流换热热阻：
[0141][0142][0143]hec[f]-es[f]
、h
ec[r]-es[r]
分别为前端盖和后端盖内侧与端部空气对流换热系数，计算公式为：
[0144]
ωr为转子角速度，dr为转子外径。
[0145]
(3)机壳与环境对流换热热阻：
[0146][0147]rhs
为机壳半径，l
hs
为机壳轴向长度，h
hs-amb
为机壳与外部空气对流换热系数，其计算公式为：
[0148][0149]
(4)端盖与机壳接触热阻：
[0150][0151][0152]
λ
ec[f]
、λ
ec[r]
分别为前、后端盖导热系数，l
air3
、l
air4
分别为前、后端盖与机壳接触间隙，λ
air3
、λ
air4
分别为前、后端盖与机壳接触间隙导热系数，l
ec[f]
、l
ec[r]
分别为前、后端盖轴向长度，t
hs
为机壳厚度，λ
hs
为机壳导热系数。
[0153]
(5)机壳热阻：
[0154][0155]
(6)端盖与轴承接触热阻：
[0156][0157][0158]
λ
air1
、λ
air2
分别为前、后端盖与前、后轴承接触间隙导热系数，λ
bs[f]
、λ
bs[r]
分别为前、后轴承导热系数。
[0159]
(7)轴承与转轴接触热阻：
[0160][0161][0162][0163]
l
bs[f]
、l
bs[r]
分别为前、后轴承轴向长度，t
bs[f]
、t
bs[r]
分别为前、后轴承厚度，l
air5
、l
air6
分别为前、后轴承与前、后转轴接触间隙，λ
air5
、λ
air6
分别为前、后轴承与前、后转轴接触间隙导热系数，r
ax[f]
、r
ax[r]
分别为前、后转轴半径，λ
ax[f]
、λ
ax[r]
分别为前、后转轴导热系数。
[0164]
(8)转轴热阻：
[0165][0166]
l
ax
为转轴轴向长度。
[0167]
(9)转轴与环境对流换热热阻：
[0168][0169]hax[f]-amb
、h
ax[f]-amb
分别为前、后转轴与外部空气对流换热系数，计算公式为：
[0170][0171]
(10)转子铁心与机壳接触热阻：
[0172][0173]rrl
为转子铁心半径，λ
rl
为转子铁心热导率，l
rl
为转子铁心轴向长度，t
rl
为转子铁心厚度，l
air7
为转子铁心与机壳接触间隙，λ
air7
为转子铁心与机壳接触间隙导热系数。
[0174]
(11)转子铁心与端部空气对流换热热阻：
[0175][0176]hrl-es[f]
、h
rl-es[r]
分别为转子铁心与前、后端部空气对流换热系数，计算公式如下：
[0177][0178]
vr是转子旋转时的表面线速度。
[0179]
(12)永磁体与转子铁心接触热阻：
[0180][0181]
t
mag
为永磁体厚度，λ
mag
为永磁体导热系数，l
magarc
为永磁体极弧长，l
mag
为永磁体轴向长度，n
p
是电机极数，l
air8
是永磁体与转子铁心接触间隙，λ
air8
为永磁体与转子铁心接触间隙导热系数。
[0182]
(13)永磁体热阻：
[0183][0184]
(14)永磁体与端部空气对流换热热阻：
[0185][0186]hmag-es[f]
、h
magnet-es[r]
分别为永磁体与前、后端部空气对流换热系数，计算公式为：
[0187][0188]
(15)气隙热阻：
[0189][0190]rag
为气隙半径，h
ag
为气隙对流换热系数，计算公式为：
[0191][0192]nu
为空气的努赛尔数，λ
ag
为气隙等效导热系数，l
ag
为气隙长度。
[0193]
(16)有效绕组热阻：
[0194][0195]
l
sl
为定子铁心轴向长度，λw为绕组等效导热系数，k
slot
为槽满率，s
slot
为槽面积，ns为电机槽数。
[0196]
(17)端部绕组热阻：
[0197][0198]
l
ew[f]
、l
ew[r]
分别为前、后端部绕组长度，λ
ew[f]
、λ
ew[r]
分别为前、后端部绕组等效导热系数，s
ew[f]
、s
ew[r]
分别为前、后端部绕组总表面积。
[0199]
(18)端部绕组与端部空气对流换热热阻：
[0200][0201]hew[f]-es[f]
、h
ew[r]-es[r]
分别为前、后端部绕组与端部空气对流换热系数，计算公式为：
[0202][0203]
(19)定子轭热阻
[0204][0205]
λ
sy
为定子轭导热系数，l
air9
为定子轭与转轴接触间隙，t
sy
为定子轭厚度。
[0206]
(20)定子轭与转轴接触热阻：
[0207][0208]
λ
air9
为定子轭与转轴接触间隙导热系数。
[0209]
(21)有效绕组、槽绝缘与定子轭接触热阻：
[0210][0211]
l
slot
为定子槽深，d
sb
为定子槽底宽，t
l
为槽绝缘厚度，λ
l
为槽绝缘导热系数。
[0212]
(22)定子齿热阻：
[0213]
λ
st
为定子齿导热系数，s
st
为单个定子齿表面积。
[0214]
(23)有效绕组、槽绝缘与定子齿接触绕组：
[0215][0216]dslot
为定子槽平均宽度，d
st
为定子齿宽。
[0217]
以上各公式中的相关参数取值如表2所示。
[0218]
表2相关参数取值
[0219]
[0220]
[0221][0222]
步骤三：设置初始温度，对集总参数热网络模型中24个节点设置初始温度，其中，t
ew[f]
、t
ew[r]
、tw、t
sw
和环境的初始温度设置为40℃，其余节点初始温度均设置为20℃。
[0223]
计算铜绕组阻值和绕组铜耗，计算公式为：
[0224]
p
cu
＝mi2r0[0225]
r0＝r
20
[1+(t
0-20℃)
×
0.00393]
[0226][0227]
式中：m为电机相数，i为绕组相电流，r0为初始温度下的绕组电阻值，r
20
为20℃下铜绕组电阻值，t0为初始温度，0.00393为电阻系数，ρ
20
为20℃下铜电阻率，l
av
为绕组平均半匝长，n
pt
绕组每相串联匝数，sw为绕组面积。
[0228]
电枢绕组损耗被分为前端部绕组损耗、有效绕组损耗、后端部绕组损耗，各损耗按体积配比，比例约为0.25:0.5:0.25。
[0229]
经计算得出，初始温度为40℃时，绕组铜耗为68.42w，前端部绕组和后端部绕组损耗各为17.105w，有效绕组损耗为34.21w。
[0230]
计算电机其他损耗，其他损耗结果如表3所示。
[0231]
表3电机损耗
[0232][0233][0234]
将各损耗作为热源添加至集总参数热网络损耗节点。
[0235]
步骤四：根据热平衡原理，列写集总参数热网络模型中24个节点的热平衡方程，并将其联立成矩阵形式：gt＝p。设置收敛误差为1％，在经过4次迭代后，得出24个节点温度，如表4所示。
[0236]
表4电机温升计算结果
[0237]
节点温度/℃节点温度/℃t
ec[f]
89t
ss
163.1t
hs1
90.8t
ew[f]
166.8t
hs2
91.5t
sw
166.9
t
hs3
92.5tw167.0t
hs4
91.6t
ew[r]
166.7t
hs5
90.9t
st
166.6t
ec[r]
89.3t
sy
166.1t
bs[f]
121.2t
ax1
152.7t
bs[r]
121.1t
ax2
155.8t
rl
93.6t
ax3
160.0t
mag
96.4t
ax4
155.8t
rs
97.6t
ax5
152.7
[0238]
实施例2
[0239]
本实施例提供一种中小功率外转子无刷直流电机温升分析装置，包括：
[0240]
模型建立模块，用于根据预先获取的电机结构参数，将外转子无刷直流电机各部件用等效热阻代替，建立电机集总参数热网络模型，并选取温升节点和损耗节点；
[0241]
分类计算模块，用于根据建立的电机集总参数热网络模型，结合电机内部和外部的传热情况对等效热阻进行分类计算；
[0242]
初始温度设定模块，用于设定初始温度，计算在初始温度下电枢绕组损耗，将电枢绕组损耗作为热源添加至电机集总参数热网络模型的损耗节点中；
[0243]
温升计算模块，用于根据计算得到的等效热阻和电枢绕组损耗列写各温升节点和损耗节点的热平衡方程，并将其联立呈矩阵形式，通过求解矩阵得到各节点的温升；
[0244]
判断模块，用于将各节点的温升与初始温度做差值判断是否达到收敛误差，若没达到，则返回初始温度设定模块并重新更新初始温度值；若达到，则输出计算结果。
[0245]
实施例3
[0246]
本实施例提供一种电子设备，包括处理器及存储介质；
[0247]
所述存储介质用于存储指令；
[0248]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例1中任一项所述方法的步骤。
[0249]
实施例4
[0250]
本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现实施例1中任一项所述方法的步骤。
[0251]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种中小功率外转子无刷直流电机温升分析方法，其特征在于，包括：根据预先获取的电机结构参数，将外转子无刷直流电机各部件用等效热阻代替，建立电机集总参数热网络模型，并选取温升节点和损耗节点；根据建立的电机集总参数热网络模型，结合电机内部和外部的传热情况对等效热阻进行分类计算；初始温度设定步骤，包括：设定初始温度，计算在初始温度下电枢绕组损耗，将电枢绕组损耗作为热源添加至电机集总参数热网络模型的损耗节点中；根据计算得到的等效热阻和电枢绕组损耗列写各温升节点和损耗节点的热平衡方程，并将其联立呈矩阵形式，通过求解矩阵得到各节点的温升；将各节点的温升与初始温度做差值判断是否达到收敛误差，若没达到，则返回初始温度设定步骤并重新更新初始温度值；若达到，则输出计算结果。2.根据权利要求1所述的中小功率外转子无刷直流电机温升分析方法，其特征在于，所述根据建立的电机集总参数热网络模型，结合电机内部和外部的传热情况对等效热阻进行分类计算，包括：计算端盖与环境对流换热热阻，公式如下：计算端盖与环境对流换热热阻，公式如下：其中r
ec[f]
、r
ec[r]
分别为前、后端盖半径，r
bs[f]
、r
bs[r]
分别为前、后轴承半径，l
air1
、l
air2
分别为前、后端盖与前、后轴承间的接触间隙，h
ec[f]-amb
、h
ec[r]-amb
分别为前端盖和后端盖与外部空气对流换热系数，计算公式为：其中t
amb
为外部环境温度；计算端盖内侧与端部空气对流换热热阻，公式如下：计算端盖内侧与端部空气对流换热热阻，公式如下：其中h
ec[f]-es[f]
、h
ec[r]-es[r]
分别为前端盖和后端盖内侧与端部空气对流换热系数，计算公式为：其中ω
r
为转子角速度，d
r
为转子外径；
计算机壳与环境对流换热热阻，公式如下：其中r
housing
为机壳半径，l
housing
为机壳轴向长度，h
hs-amb
为机壳与外部空气对流换热系数，其计算公式为：计算端盖与机壳接触热阻，公式如下：计算端盖与机壳接触热阻，公式如下：其中λ
ec[f]
、λ
ec[r]
分别为前、后端盖导热系数，l
air3
、l
air4
分别为前、后端盖与机壳接触间隙，λ
air3
、λ
air4
分别为前、后端盖与机壳接触间隙导热系数，l
ec[f]
、l
ec[r]
分别为前、后端盖轴向长度，t
hs
为机壳厚度，λ
hs
为机壳导热系数；计算机壳热阻，公式如下：计算端盖与轴承接触热阻，公式如下：
其中λ
air1
、λ
air2
分别为前、后端盖与前、后轴承接触间隙导热系数，λ
bs[f]
、λ
bs[r]
分别为前、后轴承导热系数；计算轴承与转轴接触热阻，公式如下：计算轴承与转轴接触热阻，公式如下：计算轴承与转轴接触热阻，公式如下：其中l
bs[f]
、l
bs[r]
分别为前、后轴承轴向长度，t
bs[f]
、t
bs[r]
分别为前、后轴承厚度，l
air5
、l
air6
分别为前、后轴承与前、后转轴接触间隙，λ
air5
、λ
air6
分别为前、后轴承与前、后转轴接触间隙导热系数，r
ax[f]
、r
ax[r]
分别为前、后转轴半径，λ
ax[f]
、λ
ax[r]
分别为前、后转轴导热系数；计算转轴热阻，公式如下：其中l
ax
为转轴轴向长度；计算转轴与环境对流换热热阻，公式如下：h
ax[f]-amb
、h
ax[f]-amb
分别为前、后转轴与外部空气对流换热系数，计算公式为：
计算转子铁心与机壳接触热阻，公式如下：其中r
rl
为转子铁心半径，λ
rl
为转子铁心热导率，l
rl
为转子铁心轴向长度，t
rl
为转子铁心厚度，l
air7
为转子铁心与机壳接触间隙，λ
air7
为转子铁心与机壳接触间隙导热系数；计算转子铁心与端部空气对流换热热阻，公式如下：其中h
rl-es[f]
、h
rl-es[r]
分别为转子铁心与前、后端部空气对流换热系数，计算公式如下：其中v
r
是转子旋转时的表面线速度；计算永磁体与转子铁心接触热阻，公式如下：其中t
mag
为永磁体厚度，λ
mag
为永磁体导热系数，l
magarc
为永磁体极弧长，l
mag
为永磁体轴向长度，n
p
是电机极数，l
air8
是永磁体与转子铁心接触间隙，λ
air8
为永磁体与转子铁心接触间隙导热系数；计算永磁体热阻，公式如下：计算永磁体与端部空气对流换热热阻，公式如下：其中h
mag-es[f]
、h
magnet-es[r]
分别为永磁体与前、后端部空气对流换热系数，计算公式为：计算气隙热阻，公式如下：其中r
ag
为气隙半径，h
ag
为气隙对流换热系数，计算公式为：其中n
u
为空气的努赛尔数，λ
ag
为气隙等效导热系数，l
ag
为气隙长度；
计算有效绕组热阻，公式如下：其中l
sl
为定子铁心轴向长度，λ
w
为绕组等效导热系数，k
slot
为槽满率，s
slot
为槽面积，n
s
为电机槽数；计算端部绕组热阻，公式如下：其中l
ew[f]
、l
ew[r]
分别为前、后端部绕组长度，λ
ew[f]
、λ
w[r]
分别为前、后端部绕组等效导热系数，s
ew[f]
、s
ew[r]
分别为前、后端部绕组总表面积；计算端部绕组与端部空气对流换热热阻，公式如下：其中h
ew[f]-es[f]
、h
ew[r]-es[r]
分别为前、后端部绕组与端部空气对流换热系数，计算公式为：计算定子轭热阻，公式如下：其中λ
sy
为定子轭导热系数，l
air9
为定子轭与转轴接触间隙，t
sy
为定子轭厚度；计算定子轭与转轴接触热阻，公式如下：其中λ
air9
为定子轭与转轴接触间隙导热系数；计算有效绕组、槽绝缘与定子轭接触热阻，公式如下：其中l
slot
为定子槽深，d
sb
为定子槽底宽，t
l
为槽绝缘厚度，λ
l
为槽绝缘导热系数；计算定子齿热阻，公式如下：其中λ
st
为定子齿导热系数，s
st
为单个定子齿表面积；
计算有效绕组、槽绝缘与定子齿接触热阻，公式如下：其中d
slot
为定子槽平均宽度，d
st
为定子齿宽。3.根据权利要求1所述的中小功率外转子无刷直流电机温升分析方法，其特征在于，所述等效热阻包括传导热阻、接触热阻和对流热阻。4.根据权利要求1所述的中小功率外转子无刷直流电机温升分析方法，其特征在于，所述电枢绕组损耗分为前端部绕组损耗、有效绕组损耗、后端部绕组损耗。5.根据权利要求1所述的中小功率外转子无刷直流电机温升分析方法，其特征在于，还包括计算电机其他损耗，所述电机其他损耗包括定子齿部、定子轭部、转子、永磁体、轴承以及风磨损耗。6.根据权利要求1所述的中小功率外转子无刷直流电机温升分析方法，其特征在于，所述电机集总参数热网络模型的温升节点包括：前、后端盖温升节点，机壳机壳各分段温升节点，前、后轴承温升节点，转子铁心温升节点，永磁体温升节点，转子表面温升节点，定子齿表面温升节点，前、后端部绕组温升节点，定子槽壁温升节点，有效绕组温升节点，定子齿部温升节点，定子轭部温升节点，转轴各分段温升节点。7.根据权利要求1所述的中小功率外转子无刷直流电机温升分析方法，其特征在于，所述电机集总参数热网络模型的损耗节点包括：转子损耗节点，永磁体损耗节点，1/2风摩损耗节点，前、后端部绕组损耗节点，有效绕组损耗节点，前、后轴承损耗节点，定子轭部损耗节点，定子齿部损耗节点。8.一种中小功率外转子无刷直流电机温升分析装置，其特征在于，包括：模型建立模块，用于根据预先获取的电机结构参数，将外转子无刷直流电机各部件用等效热阻代替，建立电机集总参数热网络模型，并选取温升节点和损耗节点；分类计算模块，用于根据建立的电机集总参数热网络模型，结合电机内部和外部的传热情况对等效热阻进行分类计算；初始温度设定模块，用于设定初始温度，计算在初始温度下电枢绕组损耗，将电枢绕组损耗作为热源添加至电机集总参数热网络模型的损耗节点中；温升计算模块，用于根据计算得到的等效热阻和电枢绕组损耗列写各温升节点和损耗节点的热平衡方程，并将其联立呈矩阵形式，通过求解矩阵得到各节点的温升；判断模块，用于将各节点的温升与初始温度做差值判断是否达到收敛误差，若没达到，则返回初始温度设定模块并重新更新初始温度值；若达到，则输出计算结果。9.一种电子设备，其特征在于：包括处理器及存储介质；所述存储介质用于存储指令；所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1～7任一项所述方法的步骤。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：该程序被处理器执行时实现权利要求1～7任一项所述方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种中小功率外转子无刷直流电机温升分析方法及装置，所述方法包括将电机各部件用热阻代替，建立电机集总参数热网络模型，根据电机内外部传热情况，分类计算各热阻值，设定初始温度，考虑温度对铜材料的影响，计算初始温度下绕组电阻以及电机损耗，根据热平衡原理建立电机热矩阵，设定收敛误差范围，随后进行双向耦合迭代计算，直至误差在范围之内，最终得到电机各部件温升，本发明考虑了温度对铜材料的影响，使用了双向耦合迭代，弥补了传统集总参数热网络法单向耦合的精度缺陷，该方法可以快速准确地得到中小功率外转子无刷直流电机的稳态温度分布。刷直流电机的稳态温度分布。刷直流电机的稳态温度分布。


技术研发人员：杨艳 顾峰 刘泽远 刘程子
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/8/6