高速非晶/纳米晶合金电机的多物理场双向耦合建模方法

技术领域

本发明属于非晶/纳米晶合金电机领域，具体涉及高速非晶/纳米晶合金电机的多物理场双向耦合建模方法。

背景技术

非晶/纳米晶是低损耗性能突出的新材料，但可能在其他方面性能有所弱化，需全面掌握非晶/纳米晶合金电机的导热、导磁、环境适应性等各种物理性能边界。受限于目前非晶/纳米晶合金的制备技术和工艺，现有商用化非晶/纳米晶合金的饱和磁感应强度比理想值低，磁导率下降较快，在相同运行条件下，非晶/纳米晶合金电机较硅钢片电机更快进入饱和区，将增大励磁电流，导致铜耗增加，随着负载率增加，非晶/纳米晶合金电机由铁耗带来的效率优势逐渐被削弱。电机的损耗和温升精确计算一直是研究的热点和难点，由于高速非晶/纳米晶合金电机转速高，变频器供电时谐波成分复杂，现有研究方法还不够深入，此外，当前研究更多是空载情形，由于非晶/纳米晶合金铁心饱和磁感应强度较低，非晶/纳米晶合金电机在负载时绕组电流引起的铜耗大幅增加，导致非晶/纳米晶合金电机的效率优势随着负载率的增加而减弱，总损耗需定量系统评估。

损耗与温升密切相关，温度场分析的目标是根据高速非晶/纳米晶合金电机内热源分布和各部件的材料属性，结合散热导热情况，对各区域的温升分布进行精确计算。通过电磁场分析，可计算得到非晶/纳米晶合金电机的损耗，进一步基于三维等效热网络模型，可实现对不同区域的温升预测，但是温升将会改变永磁体和绕组的材料特性，引起磁场分布变化，同时产生热应力作用于非晶/纳米晶合金铁心，畸变磁场也会引入电磁应力，叠加非晶/纳米晶合金定子铁心过盈配合时产生的应力等，这些都将改变定子铁心材料的磁特性与损耗特性，进而影响电机损耗计算的精度，最终高速非晶/纳米晶合金电机内部的磁-力-热多种物理场相互影响，亟需提出磁-力-热多物理场双向耦合建模方法，探究其双向耦合机理，以完整准确全面掌握非晶/纳米晶合金电机综合性能。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种高速非晶/纳米晶合金电机的多物理场双向耦合建模方法，用于完整准确全面掌握非晶/纳米晶合金电机综合性能。

为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种高速非晶/纳米晶合金电机的多物理场双向耦合建模方法，包括：

将高速非晶/纳米晶合金电机分块，基于麦克斯韦方程组通过精确子域法计算所述高速非晶/纳米晶合金电机内不同区域随时间变化的磁场分布；

根据单频正弦激励下高速非晶/纳米晶合金电机铁心的损耗解析模型，计算铁心损耗、基本铜耗、附加铜耗、永磁体涡流损耗和机械空摩损耗，并建立高速非晶/纳米晶合金电机精细损耗模型；

根据所述高速非晶/纳米晶合金电机精细损耗模建立考虑变负载多谐波的所述高速非晶/纳米晶合金电机的三维热网络模型并开展迭代求解，获得瞬态和稳态温度场分布；

根据不同设计参数和工况参数下所述高速非晶/纳米晶合金电机的损耗及温升特点，得到设计参数和工况参数对损耗构成和温升分布的影响规律。

可选的，所述根据单频正弦激励下高速非晶/纳米晶合金电机铁心的损耗解析模型，计算铁心损耗、基本铜耗、附加铜耗、永磁体涡流损耗和机械空摩损耗，包括：

通过分析不同负载时输入电流、脉宽调制变频供电引入的载波和转子不同偏心及齿槽配合产生的气隙磁通密度谐波以及各特征点磁通密度波形中的时间谐波和空间谐波，将所述高速非晶/纳米晶合金电机中非正弦交变磁化和旋转磁化产生的磁通密度正交分解为切向分量和法向分量；

通过傅里叶分析将所述切向分量和所述法向分量分解为正弦磁通密度之和，将所述正弦磁通密度之和分别代入所述单频正弦激励下高速非晶/纳米晶合金电机铁心的损耗解析模型，利用叠加原理计算得到所述铁心损耗；

根据所述高速非晶/纳米晶合金电机中永磁体内不同位置处涡流，基于坡印廷矢量得到所述永磁体内涡流损耗；

计算所述高速非晶/纳米晶合金电机内绕组的基本铜耗，采用透入深度表征集肤效应，计算集肤效应和邻近效应影响下的所述附加铜耗；

基于所述高速非晶/纳米晶合金电机的工况，计算机械空摩损耗。

可选的，所述根据所述高速非晶/纳米晶合金电机精细损耗模建立考虑变负载多谐波的所述高速非晶合金电机的三维热网络模型并开展迭代求解，包括：

基于计算精度与计算速度，将所述高速非晶/纳米晶合金电机内部的温度场用正交网络剖分成若干节点，根据各损耗求得各节点单元单位质量的发热率，并作为系统热源；

对于传热途径中的热对流，通过建立接触对，赋予材料对流系数和导热系数，获得高速非晶/纳米晶合金电机各节点单元间不同传热方式的热阻；

根据所述各节点的径向、轴向和周向热阻连接，获得所述各节点的温度矩阵、热导矩阵和热源矩阵；

根据所述温度矩阵、热导矩阵和热源矩阵建立所述高速非晶/纳米晶合金电机的三维热网络等效模型，利用基尔霍夫定律建立所述各节点的温度方程组，设定初始温度和热网络边界条件，迭代求解温度分布。

可选的，所述根据不同设计参数和工况参数下所述高速非晶/纳米晶合金电机的损耗及温升特点，得到设计参数和工况参数对损耗构成和温升分布的影响规律，包括：

在圆柱坐标系下分析转子离心应力和定子铁心过盈装配应力，推导过盈量与非晶/纳米晶合金电机定子装配应力的解析方程，获得定子铁心的径向和切向装配应力；

考虑畸变磁场产生的电磁应力和温升引起的热应力，深入分析磁-力-热多物理场双向耦合，迭代更新所述高速非晶/纳米晶合金电机的损耗；

考虑非晶/纳米晶合金铁心磁化曲线的饱和效应，对理想空载、额定负载和轻载、中载、重载、适度超载等不同负载情形开展高速非晶/纳米晶合金电机瞬态和稳态温度场计算，获得脉宽调制变频供电时不同开关频率、载波比和调制比时电机的温度分布情况，溯源电机内各区域的最高温升位置；

总结不同设计参数和工况参数对所述高速非晶/纳米晶合金电机损耗构成及温升分布的影响规律。

本发明第二方面实施例提出了一种高速非晶/纳米晶合金电机的多物理场双向耦合建模装置，包括以下模块：

预处理模块，用于将高速非晶/纳米晶合金电机分块，基于麦克斯韦方程组通过精确子域法计算所述高速非晶/纳米晶合金电机内不同区域随时间变化的磁场分布；

构建模块，用于根据单频正弦激励下高速非晶/纳米晶合金电机铁心的损耗解析模型，计算铁心损耗、基本铜耗、附加铜耗、永磁体涡流损耗和机械空摩损耗，并建立高速非晶/纳米晶合金电机精细损耗模型；

计算模块，用于根据所述高速非晶/纳米晶合金电机精细损耗模建立考虑变负载多谐波的所述高速非晶/纳米晶合金电机的三维热网络模型并开展迭代求解，获得瞬态和稳态温度场分布；

分析模块，用于根据不同设计参数和工况参数下所述高速非晶/纳米晶合金电机的损耗及温升特点，得到设计参数和工况参数对损耗构成和温升分布的影响规律。

本发明第三方面实施例提出了一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如第一方面所述的一种高速非晶/纳米晶合金电机的多物理场双向耦合建模方法。

本发明第四方面实施例提出了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，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的一种高速非晶/纳米晶合金电机的多物理场双向耦合建模方法。

本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

能综合考虑变载变速限域等实际复杂工况，揭示非晶/纳米晶合金电机磁力热双向耦合机理，在分析非晶/纳米晶合金电机电磁振动建模中磁场和应力场的同时，考虑温度变化对非晶/纳米晶合金材料特性的影响，将损耗与磁场、应力场紧密联系，能显著提升高速非晶/纳米晶合金电机电磁振动和损耗及温升解析计算精度，相较于有限元方法仿真计算效率更高。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例所提供的一种高速非晶/纳米晶合金电机的多物理场双向耦合建模方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种损耗建模示意图；

图3为本发明实施例所提供的一种温升预测示意图；

图4为本发明实施例所提供的一种应力分析示意图；

图5为本发明实施例所提供的一种参数更新示意图；

图6为本发明实施例所提供的一种高速非晶/纳米晶合金电机的多物理场双向耦合建模装置的框图；

图7是一种电子设备的框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的高速非晶/纳米晶合金电机的多物理场双向耦合建模方法。

图1为本发明实施例所提供的一种高速非晶/纳米晶合金电机的多物理场双向耦合建模方法的流程示意图。

如图1所示，该高速非晶/纳米晶合金电机的多物理场双向耦合建模方法，包括以下步骤：

步骤101，将高速非晶/纳米晶合金电机分块，基于麦克斯韦方程组通过精确子域法计算高速非晶/纳米晶合金电机内不同区域随时间变化的磁场分布；

步骤102，根据单频正弦激励下高速非晶/纳米晶合金电机铁心的损耗解析模型，计算铁心损耗、基本铜耗、附加铜耗、永磁体涡流损耗和机械空摩损耗，并建立高速非晶/纳米晶合金电机精细损耗模型；

步骤103，根据高速非晶/纳米晶合金电机精细损耗模建立考虑变负载多谐波的高速非晶/纳米晶合金电机的三维热网络模型并开展迭代求解，获得瞬态和稳态温度场分布；

步骤104，根据不同设计参数和工况参数下高速非晶/纳米晶合金电机的损耗及温升特点，得到设计参数和工况参数对损耗构成和温升分布的影响规律。

本发明的主要思路是：首先，将高速非晶/纳米晶合金电机适当分块，考虑变负载及多谐波等工况，运用电磁场基本理论解析计算电机内部各区域的磁场分布，基于高速非晶/纳米晶合金电机铁心的损耗解析模型，获得复杂磁场激励下的非晶/纳米晶合金电机的铁心损耗。随后，计算基本铜耗、附加铜耗、永磁体涡流损耗和机械风摩损耗，得到完整的高速非晶/纳米晶合金电机精细损耗模型。然后，基于各区域精细损耗模型建立考虑变负载多谐波的高速非晶/纳米晶合金电机三维热网络模型并开展迭代求解，获得瞬态和稳态温度场分布，最后，讨论不同设计参数和工况参数下高速非晶/纳米晶合金电机的损耗及温升特点，得到设计参数和工况参数对其损耗构成和温升分布的影响规律。

另外需要补充说明的是，温度对材料特性有显著影响，分析温度变化对非晶/纳米晶合金铁心磁化特性的影响规律，建立温升与永磁体的剩磁、内禀矫顽力的解析模型和温升与绕组电导率的函数关系，为了准确计算温度分布，提出一种磁-力-热双向耦合迭代方法，将电磁场分析得到的损耗传递给温度场，作为温度场分析的热源，把温度场计算的温升数据作为影响材料属性和应力场的参考，将材料属性作为变量反馈至电磁场中，实时计算损耗值，损耗与温度在电磁场、温度场、应力场间相互交换，最终通过反复迭代使温度场达到稳定，即相邻两次耦合计算温度差小于容差，得到高速非晶/纳米晶合金电机内稳态温升分布。

进一步地，在本发明的一个实施例中，步骤102中铁心损耗、基本铜耗、附加铜耗、永磁体涡流损耗和机械空摩损耗具体通过以下过程获得：

通过分析不同负载时输入电流、脉宽调制变频供电引入的载波和转子不同偏心及齿槽配合产生的气隙磁通密度谐波以及各特征点磁通密度波形中的时间谐波和空间谐波，将高速非晶/纳米晶合金电机中非正弦交变磁化和旋转磁化产生的磁通密度正交分解为切向分量和法向分量；

通过傅里叶分析将切向分量和法向分量分解为正弦磁通密度之和，将正弦磁通密度之和分别代入单频正弦激励下高速非晶/纳米晶合金电机铁心的损耗解析模型，利用叠加原理计算得到铁心损耗；

根据高速非晶/纳米晶合金电机中永磁体内不同位置处涡流，基于坡印廷矢量得到永磁体内涡流损耗；

计算高速非晶/纳米晶合金电机内绕组的基本铜耗，采用透入深度表征集肤效应，计算集肤效应和邻近效应影响下的附加铜耗；

基于高速非晶/纳米晶合金电机的工况，计算机械空摩损耗。

最终，根据上述各损耗以及铜耗建立高速非晶/纳米晶合金电机精细损耗模型。

需要说明的是，步骤101与步骤102中各级损耗以及模型建立如图2所示。

进一步地，在本发明的一个实施例中，对步骤103进行详细补充，包括：

基于计算精度与计算速度，将高速非晶/纳米晶合金电机内部的温度场用正交网络剖分成若干节点，根据各损耗求得各节点单元单位质量的发热率，并作为系统热源；

对于传热途径中的热对流，通过建立接触对，赋予材料对流系数和导热系数，获得高速非晶/纳米晶合金电机各节点单元间不同传热方式的热阻；

根据各节点的径向、轴向和周向热阻连接，获得各节点的温度矩阵、热导矩阵和热源矩阵；

根据温度矩阵、热导矩阵和热源矩阵建立高速非晶/纳米晶合金电机的三维热网络等效模型，利用基尔霍夫定律建立各节点的温度方程组，设定初始温度和热网络边界条件，迭代求解温度分布。

另外，考虑热传导与热对流两种传热途径，其中热对流包括电机内部的热对流和框架外表面与空气之间的外部热对流。

需要说明的是，步骤103中温升预测的过程如图3所示。

进一步地，在本发明的一个实施例中，对步骤104进行详细补充，包括：

在圆柱坐标系下分析转子离心应力和定子铁心过盈装配应力，推导过盈量与非晶/纳米晶合金电机定子装配应力的解析方程，获得定子铁心的径向和切向装配应力；

考虑畸变磁场产生的电磁应力和温升引起的热应力，深入分析磁-力-热多物理场双向耦合，迭代更新高速非晶/纳米晶合金电机的损耗；

考虑非晶/纳米晶合金铁心磁化曲线的饱和效应，对理想空载、额定负载和轻载、中载、重载、适度超载等不同负载情形开展高速非晶/纳米晶合金电机瞬态和稳态温度场计算，获得脉宽调制变频供电时不同开关频率、载波比和调制比时电机的温度分布情况，溯源电机内各区域的最高温升位置；

总结不同设计参数和工况参数对高速非晶/纳米晶合金电机损耗构成及温升分布的影响规律。

其中，步骤104中关于应力分析与双向耦合建模的过程分别如图4与图5所示。

本发明实施例提出的高速非晶/纳米晶合金电机的多物理场双向耦合建模方法，能综合考虑变载变速限域等实际复杂工况，揭示非晶/纳米晶合金电机磁力热双向耦合机理，在分析非晶/纳米晶合金电机电磁振动建模中磁场和应力场的同时，考虑温度变化对非晶/纳米晶合金材料特性的影响，将损耗与磁场、应力场紧密联系，能显著提升高速非晶/纳米晶合金电机电磁振动和损耗及温升解析计算精度，相较于有限元方法仿真计算效率更高。

为了实现上述实施例，本发明还提出一种高速非晶/纳米晶合金电机的多物理场双向耦合建模装置。

图6为本发明实施例提供的一种高速非晶/纳米晶合金电机的多物理场双向耦合建模装置600的结构示意图，包括预处理模块610、构建模块620、计算模块630以及分析模块640。

预处理模块610，用于将高速非晶/纳米晶合金电机分块，基于麦克斯韦方程组通过精确子域法计算高速非晶/纳米晶合金电机内不同区域随时间变化的磁场分布；

构建模块620，用于根据单频正弦激励下高速非晶/纳米晶合金电机铁心的损耗解析模型，计算铁心损耗、基本铜耗、附加铜耗、永磁体涡流损耗和机械空摩损耗，并建立高速非晶/纳米晶合金电机精细损耗模型；

计算模块630，用于根据高速非晶/纳米晶合金电机精细损耗模建立考虑变负载多谐波的高速非晶/纳米晶合金电机的三维热网络模型并开展迭代求解，获得瞬态和稳态温度场分布；

分析模块640，用于根据不同设计参数和工况参数下高速非晶/纳米晶合金电机的损耗及温升特点，得到设计参数和工况参数对损耗构成和温升分布的影响规律。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

图7示出了可以用来实施本公开的实施例的示例电子设备700的示意性框图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本公开的实现。

如图7所示，设备700包括计算单元701，其可以根据存储在只读存储器(ROM)702中的计算机程序或者从存储单元703加载到随机访问存储器(RAM)703中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 703中，还可存储设备700操作所需的各种程序和数据。计算单元701、ROM 702以及RAM 703通过总线704彼此相连。输入/输出(I/O)接口705也连接至总线704。

设备700中的多个部件连接至I/O接口705，包括：输入单元706，例如键盘、鼠标等；输出单元707，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元708，例如磁盘、光盘等；以及通信单元709，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元709允许设备700通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。

计算单元701可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元701的一些示例包括但不限于中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、各种专用的人工智能(AI)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(DSP)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元701执行上文所描述的各个方法和处理，例如语音指令响应方法。例如，在一些实施例中，语音指令响应方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元708。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 702和/或通信单元709而被载入和/或安装到设备700上。当计算机程序加载到RAM 703并由计算单元701执行时，可以执行上文描述的语音指令响应方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元701可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行语音指令响应方法。

本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。

用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的系统和技术，该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，CRT(阴极射线管)或者LCD(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入)来接收来自用户的输入。

可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(LAN)、广域网(WAN)、互联网和区块链网络。

计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与VPS服务("Virtual Private Server"，或简称"VPS")中，存在的管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。服务器也可以为分布式系统的服务器，或者是结合了区块链的服务器。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。