，會(huì)受到流體與壁面之間相互作用的制約。此時(shí)無(wú)論界面上的 溫度還是熱流密度都應(yīng)看成是計(jì)算結(jié)果的一部分，而不是已知條件。
[0114] 溫度場(chǎng)求解過(guò)程如下：假定電機(jī)耦合邊界上的溫度分布，對(duì)其中一個(gè)區(qū)域Γ進(jìn)行 求解，得出耦合邊界上的局部熱流密度和溫度梯度，然后應(yīng)用上述數(shù)學(xué)公式求解另一個(gè)區(qū) 域Λ，以得出耦合邊界上新的溫度分布。再以此分布作為區(qū)域Γ的輸入，重復(fù)上述計(jì)算直 到收斂。整場(chǎng)離散、整場(chǎng)求解，把不同區(qū)域中的熱傳遞過(guò)程組合起來(lái)，作為一個(gè)統(tǒng)一的換熱 過(guò)程來(lái)求解。不同的區(qū)域采用通用控制方程，區(qū)別僅在于廣義擴(kuò)散系數(shù)及廣義源項(xiàng)的不同， 使耦合界面成了計(jì)算區(qū)域的內(nèi)部。
[0115] 采用控制容積積分法來(lái)導(dǎo)出離散方程時(shí)，界面上的連續(xù)性條件原則上都能滿(mǎn)足， 這樣就省去了不同區(qū)域之間的反復(fù)迭代過(guò)程，使計(jì)算時(shí)間顯著縮短。
[0116] 整場(chǎng)離散、整場(chǎng)求解是計(jì)算耦合問(wèn)題的主導(dǎo)方法之一，在耦合問(wèn)題中存在的固體 與流體區(qū)內(nèi)的溫度場(chǎng)需要耦合求解，這時(shí)固體與流體的分界面就成為控制容積的界面，該 界面上的當(dāng)量擴(kuò)散系數(shù)應(yīng)該采用調(diào)和平均的方法加以確定。固體與流體區(qū)中的導(dǎo)熱系數(shù)采 取各自的實(shí)際值，但固體區(qū)中的比熱容則應(yīng)采用流體區(qū)比熱容的值，這樣才能保證耦合界 面上物理熱流密度連續(xù)。
[0117] 在本發(fā)明中，溫度場(chǎng)求解需要預(yù)先建立三維物理模型，需采用三維制圖軟件如 Solidwork等實(shí)現(xiàn)；進(jìn)行流固耦合溫度場(chǎng)數(shù)值求解時(shí)，需要借助有限元軟件如Ansys設(shè)置熱 源和邊界條件，進(jìn)行剖分等。
[0118] 本發(fā)明提出了一種電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度場(chǎng)的研究方法，尤其適用于高力能密 度電機(jī)上，采用流固耦合的算法，將電機(jī)固體域和流體域整場(chǎng)求解，具有常規(guī)電機(jī)溫度場(chǎng)方 法不可比擬的優(yōu)勢(shì)。與常規(guī)電機(jī)溫度場(chǎng)方法相比，本發(fā)明的方法避免了采用散熱系數(shù)對(duì)溫 度場(chǎng)進(jìn)行加載而產(chǎn)生誤差，具有更高的求解精度。本發(fā)明中，求解電機(jī)總損耗的過(guò)程中，考 慮了電機(jī)繞組表面的集膚效應(yīng)和磁場(chǎng)的局部磁環(huán)磁滯損耗影響，邊界條件加載更加準(zhǔn)確。 本發(fā)明研究方法十分適合應(yīng)用于常規(guī)電機(jī)溫度場(chǎng)方法解決不了的特種電機(jī)領(lǐng)域。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一：根據(jù)電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)特殊結(jié)構(gòu)、實(shí)際工況，結(jié)合電動(dòng)飛機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 設(shè)置求解過(guò)程基本假設(shè)。 步驟二：確定電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)流體、固體、溫度場(chǎng)的耦合邊界，包括入口邊界、出口 邊界及壁面邊界。 步驟三：建立電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度場(chǎng)求解計(jì)算模型。 步驟四：對(duì)電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分。 步驟五：建立電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)流固耦合系統(tǒng)流動(dòng)與傳熱特性微分控制方程，采用 數(shù)值方法求解，獲得電機(jī)溫升分布。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算方法，其特征在于，所述步 驟一的求解過(guò)程基本假設(shè)為： 考慮定子繞組銅損時(shí)，認(rèn)為渦流效應(yīng)對(duì)每根股線的影響相同，取其平均值；定子繞組的 匝間絕緣對(duì)傳熱的影響歸算到槽內(nèi)繞組的綜合導(dǎo)熱系數(shù)中；流體流速小于聲速，把流體當(dāng) 作不可壓縮性氣體考慮，忽略物性參數(shù)變化；熱源發(fā)熱量保持均勻分布，不計(jì)熱輻射作用； 忽略氣流波動(dòng)產(chǎn)生的影響。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算方法，其特征在于，所述步 驟二的具體邊界條件為： 進(jìn)風(fēng)口所在平面為流體的入口邊界，出風(fēng)口所在平面為流體出口邊界；出口壓力為標(biāo) 準(zhǔn)大氣壓；除出口以及入口邊界條件外，其余流體與固體接觸面均為無(wú)滑移邊界；溫度場(chǎng) 模型入口風(fēng)速根據(jù)滑跑、起飛、巡航和降落的實(shí)際工況確定。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算方法，其特征在于，所述步 驟三的電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度場(chǎng)求解數(shù)學(xué)模型為： 三維流體質(zhì)量守恒方程，也稱(chēng)作連續(xù)性方程，其方程式如下：其中，P為流體密度；t為時(shí)間；u、V和w是速度矢量在X、y和z方向的分量。 動(dòng)量守恒方程，又稱(chēng)為Navier-Stokes方程：其中，療為速度矢量；μ為流體運(yùn)動(dòng)黏度，固體的運(yùn)動(dòng)黏度為無(wú)窮大；P為流體壓力； F為作用在流體上的質(zhì)量力。 能量守恒方程為：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；ShS流體內(nèi)熱源；Φ為能 量耗散函數(shù)，計(jì)算公式如下：其中，εi為流體的變形張量，代表流體克服粘性所消耗的機(jī)械能，它將不可逆轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn) 化為熱而耗散掉。 在充分發(fā)展的湍流區(qū)域，反映湍流脈動(dòng)量對(duì)流場(chǎng)影響的湍流動(dòng)能方程和湍流應(yīng)力方程 可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)k_ ε方程得到其形式為：其中，k為湍流動(dòng)能；ε為湍流動(dòng)能耗散率；μ為粘度系數(shù)；μ t為湍流粘度；Gk為由于 平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能k產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為由浮力引起的湍流動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；σ k為湍 流動(dòng)能k對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；σ E為湍流動(dòng)能耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；G i E、G2 E和G 3 E 分別為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。 控制體上的控制方程如下：其中，Γ。為Φ的擴(kuò)散率；▽ Φ為Φ的梯度；S φ為單位體積上Φ的源項(xiàng)；V和F為 控制體;A為控制面。5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算方法，所述電動(dòng)飛機(jī)主 驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度場(chǎng)求解模型中，損耗計(jì)算方法如下： 銅損計(jì)算公式為：其中，m為主驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)交流電相數(shù)，本文取3屯為并聯(lián)股線間的環(huán)流系數(shù)；I為渦 流損耗系數(shù)；η為線圈寬度上的導(dǎo)線數(shù)；b為線圈寬度；bs為槽的寬度；匕為頻率；&為相電 流；R S為時(shí)變電阻。 鐵損計(jì)算公式為：其中，KJ茲滯損耗系數(shù)，Κ(ΔΒΤ)局部磁滯損耗修正系數(shù)，5:為電機(jī)磁密值，kel為鐵芯 渦流損耗系數(shù)，G為齒部或者輒部質(zhì)量，f為基波頻率，T1為電周期，B k為節(jié)點(diǎn)磁密，k a為正 整數(shù)，ka= 0, 1，2, 3 · · ·。 軸承摩擦損耗為：其中，F(xiàn)為軸承載荷；d為滾珠（或滾柱）中心處直徑；^為滾珠中心圓周速度。 通風(fēng)損耗為：其中，ks為轉(zhuǎn)子表面的外圓弧情況；Ic1為轉(zhuǎn)子表面粗糙度；Cf為空氣摩擦系數(shù)，與轉(zhuǎn)子 表面剪切力有關(guān)；P g為空氣密度；ω為轉(zhuǎn)子的角速度；r為轉(zhuǎn)子半徑；1為轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度。 電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)總損耗為：6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算方法，所述鐵損計(jì)算方法中 必須考慮電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)電磁場(chǎng)局部磁環(huán)磁滯損耗的影響。其中，考慮磁滯回環(huán)下的 總磁滯損耗計(jì)算如下：其中，KJ茲滯損耗系數(shù)，K ( Δ B τ)局部磁滯損耗修正系數(shù)，巧為電機(jī)磁密值。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算方法，其特征在于，所述步 驟四采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)剖分；當(dāng)劃分網(wǎng)格接近壁面時(shí)， 若網(wǎng)格精度達(dá)不到要求，則采用壁面函數(shù)法予以解決。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算方法，其特征在于，所述步 驟五建立模型時(shí)，需要借助Solidwork和Ansys等軟件完成。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算方法，其特征在于，流動(dòng)與 傳熱特性微分控制方程為：其中，r。為Φ的擴(kuò)散率；▽ Φ為Φ的梯度；S <5為單位體積上Φ的源項(xiàng)；V和P為 控制體;A為控制面。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算方法。本發(fā)明包括：(1)結(jié)合電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)特殊結(jié)構(gòu)，設(shè)置求解過(guò)程基本假設(shè)；(2)結(jié)合電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)際工況，完成流體場(chǎng)、溫度場(chǎng)邊界條件設(shè)置；(3)建立電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型；(4)建立電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)物理模型，完成模型網(wǎng)絡(luò)剖分；(5)基于流固耦合微分方程，采用有限元數(shù)值解法求解，獲得電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)不同運(yùn)行工況下的溫升分布。本發(fā)明將電動(dòng)飛機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)溫度場(chǎng)和流體場(chǎng)整場(chǎng)求解，采用相同的數(shù)學(xué)模型，具有求解速度快，迭代次數(shù)少，計(jì)算精度高的優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類(lèi)】G06F17/50
【公開(kāi)號(hào)】CN105354354
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510628244
【發(fā)明人】李玉峰, 王森, 王宇鵬, 江秀紅, 趙鑫, 徐嵩
【申請(qǐng)人】沈陽(yáng)航空航天大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年2月24日
【申請(qǐng)日】2015年9月28日