一種電動飛機主驅(qū)動電機溫度場計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于流固耦合理論的電動飛機主驅(qū)動電機溫度場求解方法，屬于高力 能密度電機溫度場分析技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著低空空域的逐步開放和新能源技術(shù)的不斷研究，民用電動飛機產(chǎn)業(yè)正迅猛發(fā) 展。電動飛機要求主驅(qū)動電機功率密度大和轉(zhuǎn)矩密度大，這使得電動飛機主驅(qū)動電機溫升 較普通電機高。如果主驅(qū)動電機溫度場計算不準(zhǔn)確，電機將不能正常工作，尤其對于應(yīng)用在 電動飛機主驅(qū)動的電機，其溫升值較常規(guī)電機高，一般接近電機能承受的最大值，需準(zhǔn)確計 算電動飛機主驅(qū)動電機溫度場，這對于設(shè)計高性能、高精度和特殊結(jié)構(gòu)的電動飛機電機具 有十分重要的意義，可進(jìn)一步優(yōu)化電機的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，使電機性能發(fā)揮到極限狀 ??τ 〇
[0003] 現(xiàn)在的電機溫度場大多依賴于數(shù)值計算，而以往計算方法都是針對電機定子或轉(zhuǎn) 子分別進(jìn)行的，計算過程中假設(shè)定子、轉(zhuǎn)子之間沒有熱量傳遞，然而實際定轉(zhuǎn)子中間的氣隙 存在對流換熱過程，顯然單獨對定子或轉(zhuǎn)子溫度場計算會造成一定誤差。一些學(xué)者將通風(fēng) 溝內(nèi)冷卻介質(zhì)對溫度場的影響轉(zhuǎn)換為散熱系數(shù)，作為邊界條件加載到電機部件的溫度場計 算中。這種方法實現(xiàn)了流體場與溫度場的弱耦合，但這種耦合方式仍然需要將冷卻介質(zhì)對 溫度場的影響轉(zhuǎn)換為散熱系數(shù)進(jìn)行加載，且認(rèn)為冷卻介質(zhì)溫升呈線性變化，這也會給電機 溫度場計算造成了 一定的誤差。
[0004] 實際工況中電動飛機主驅(qū)動電機處于強冷卻環(huán)境下，氣流空氣工質(zhì)的雷諾數(shù)達(dá)到 一萬以上，屬于強紊流范疇，常規(guī)溫度場數(shù)值計算方法難以勝任如此非線性問題的求解。電 動飛機主驅(qū)動電機內(nèi)部溫度場計算的準(zhǔn)確程度，主要取決于流固接觸散熱系數(shù)和流體溫 度，求解域內(nèi)冷卻流體流速的變化是確定散熱系數(shù)的主要因素。由于電動飛機主驅(qū)動電機 內(nèi)部流體流速變化的不均衡性，采用傳統(tǒng)經(jīng)驗公式得出散熱系數(shù)作為溫度場計算的邊界條 件，會給溫度場分布求解帶來較大偏差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決傳統(tǒng)電機溫度場散熱系數(shù)難以求解，定轉(zhuǎn)子溫度場單獨求解誤差較大問 題，本發(fā)明提供了一種有效適用于電動飛機主驅(qū)動高力能密度電機且求解精度高、迭代次 數(shù)少的流固耦合溫度場求解方法。
[0006] 流固耦合溫度場求解方法的大體思想是將電機溫度場和流體場整體求解，整個求 解域采用通用控制方程，流體域與固體域耦合面的對流換熱狀態(tài)無需依靠經(jīng)驗系數(shù)，這使 得電機對流傳熱面變?yōu)橛嬎銋^(qū)域內(nèi)部，避免了利用經(jīng)驗公式確定通風(fēng)溝、通風(fēng)槽內(nèi)表面的 散熱系數(shù)而導(dǎo)致誤差較大的問題，解決了流固耦合面散熱系數(shù)難以確定的問題，可以更準(zhǔn) 確地計算高力能密度主驅(qū)動電機各部件溫度場計算結(jié)果。
[0007] 本發(fā)明所述基于流固耦合理論的電動飛機溫度場計算方法，主要包括以下步驟：
[0008] 步驟一：根據(jù)電動飛機主驅(qū)動電機特殊結(jié)構(gòu)、實際工況，結(jié)合電動飛機通風(fēng)結(jié)構(gòu)特 點，設(shè)置求解過程基本假設(shè)。
[0009] 步驟二：確定電動飛機主驅(qū)動電機流體、固體、溫度場的親合邊界，包括入口邊界、 出口邊界及壁面邊界。
[0010] 步驟三：建立電動飛機主驅(qū)動電機溫度場求解計算模型，包括數(shù)學(xué)模型和物理模 型。
[0011] 步驟四：對電動飛機主驅(qū)動電機模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，通過有限元軟件實現(xiàn)。
[0012] 步驟五：建立電動飛機主驅(qū)動電機流固耦合系統(tǒng)流動與傳熱特性微分控制方程， 采用數(shù)值方法求解，獲得電機溫升分布。
[0013] 所述步驟三中電動飛機主驅(qū)動電機溫度場求解計算模型采用流固耦合計算模型， 具體數(shù)學(xué)模型如下所示。
[0014] 電動飛機主驅(qū)動電機三維流體質(zhì)量守恒方程為：
[0016] 其中，P為流體密度；t為時間；u、v和w是速度矢量在X、y和z方向的分量。
[0017] 電動飛機主驅(qū)動電機Navier-Stokes方程為：
[0019] 其中，(7為速度矢量；μ為流體運動黏度，固體的運動黏度無窮大；p為流體壓力； f為作用在流體上的質(zhì)量力，在重力場中戶=g。
[0020] 電動飛機主驅(qū)動電機能量守恒方程為：
[0022] 其中，c為流體的定壓比熱容；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；T為流體溫度；SA流體內(nèi)熱源；Φ 為能量耗散函數(shù)。
[0023] 在電動飛機主驅(qū)動電機湍流區(qū)域，反映湍流脈動量對流場影響的湍流動能方程和 湍流應(yīng)力方程可通過標(biāo)準(zhǔn)方程k_ ε方程得到，其形式為：
[0026] 其中，k為湍流動能；ε為湍流動能量耗散率；μ為流體運動粘度；μ ,為湍流粘 度；&為由于平均速度梯度引起的湍流動能k產(chǎn)生項；Gb為由浮力引起的湍流動能k的產(chǎn) 生項；〇 k為湍流動能k對應(yīng)的Prandtl數(shù)；σ E為能量耗散率ε對應(yīng)的Prandtl數(shù)；G i E、 G2E和G3E分別為經(jīng)驗常數(shù)。
[0027] 電動飛機主驅(qū)動電機溫度場求解條件如下：
[0028] 耦合邊界上溫度連續(xù)條件：
[0030] 耦合邊界上熱流密度連續(xù)條件：
[0032] 耦合邊界上的第三類條件：
[0034] 其中，Tw|是溫度分布函數(shù)，qw|是熱流密度分布函數(shù)，I和Π 是流固耦合交界面 上的固體域和流體域；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，Tw為固體壁表面溫度，T f為流體溫度，區(qū)域Λ為 電動飛機主驅(qū)動電機的流體求解域，區(qū)域Γ為電動飛機主驅(qū)動電機的固體域，η為壁面外 法線。
[0035] 本發(fā)明的優(yōu)點主要為：1、建立電動飛機主驅(qū)動電機的流固耦合溫度場數(shù)學(xué)模型， 將電機溫度場和流體場整場求解，避免了傳統(tǒng)散熱系數(shù)的修正，極大地提高了溫度場數(shù)值 求解的精度；2、電動飛機主驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子、定子和機殼等整體求解，降低了依靠經(jīng)驗公式所 帶來的誤差。
[0036] 應(yīng)用于電動飛機上的主推進(jìn)電機，要具備很高的力能密度，意味著要在有限的重 量要求下，提高電機的輸出轉(zhuǎn)矩和功率。電磁負(fù)荷是電機設(shè)計的關(guān)鍵指標(biāo)，決定著電機的制 造成本、使用壽命、性能和運行可靠性。電磁負(fù)荷高，電機體積可以小，但溫升就會高，溫升 高會使電機的永磁體退磁，這嚴(yán)重降低了主驅(qū)動電機的容錯能力，甚至給飛機和飛行員帶 來危險。采用本發(fā)明提出的電動飛機主驅(qū)動電機溫度場分析方法，可提高電機的溫度場求 解精度，這在保證電機安全運行條件下，能使電機產(chǎn)生更大的功率和轉(zhuǎn)矩，增加電機的功率 密度和轉(zhuǎn)矩密度。
【附圖說明】
[0037] 圖1 :基于流固耦合的電動飛機主驅(qū)動電機傳熱特性分析方法流程圖；
[0038] 圖2 :電動飛機主驅(qū)動電機溫度場數(shù)值求解流程圖；
[0039] 圖3 :電動飛機主驅(qū)動電機電磁場-溫度場雙邊耦合分析圖；
[0040] 圖4 :電動飛機主驅(qū)動高力能密度電機磁密波形圖。
【具體實施方式】
[0041] 下面結(jié)合圖1-圖4附圖內(nèi)容對本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。
[0042] 結(jié)合圖1電機傳熱特性分析流程圖，所述電動飛機主驅(qū)動電機流固耦合溫度場計 算方法包括以下步驟：
[0043] 步驟一：根據(jù)電動飛機主驅(qū)動電機特殊結(jié)構(gòu)、實際工況，結(jié)合電動飛機通風(fēng)結(jié)構(gòu)特 點，設(shè)置求解過程基本假設(shè)。
[0044] 步驟二：確定電動飛機主驅(qū)動電機流體、固體、溫度場的親合邊界，包括入口邊界、 出口邊界及壁面邊界。
[0045] 步驟三：建立電動飛機主驅(qū)動電機溫度場求解計算模型，包括數(shù)學(xué)模型和物理模 型。
[0046] 步驟四：對電動飛機主驅(qū)動電機模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，通過有限元軟件實現(xiàn)。
[0047] 步驟五：建立電動飛機主驅(qū)動電機流固耦合系統(tǒng)流動與傳熱特性微分控制方程， 采用數(shù)值方法求解，獲得電機溫升分布。
[0048] 本實施方式中，基本假設(shè)和邊界條件需結(jié)合電動飛機主驅(qū)動電機的特殊結(jié)構(gòu)、實 際工況和通風(fēng)結(jié)構(gòu)特點，加以確定。
[0049] 主驅(qū)動電機模型建?；?