基于Ansys Workbench的潜油电机温度场模拟方法

摘要

基于Ansys Workbench的潜油电机温度场模拟方法，属于潜油电机温度场模拟技术领域。本发明是为了解决现有潜油电机的温度场分析方法不能对潜油电机进行实时监控，以进行过热保护的问题。它在SolidWorks系统中对潜油电机的定子和转子进行三维建模，获得潜油电机模型；将潜油电机模型导入到Ansys Workbench系统中，进行自动网格剖分；采用潜油电机的热力学微分方程和热力学微分方程边界条件，确定潜油电机模型求解域的温度场；进行潜油电机仿真，获得潜油电机在不同负载下定子、转子和导条的温度场分布云图。本发明用于潜油电机温度场的仿真。

主权项

一种基于Ansys Workbench的潜油电机温度场模拟方法，其特征在于，它包括以下步骤：步骤一：在SolidWorks系统中对潜油电机的定子和转子进行三维建模，获得潜油电机模型；步骤二：将潜油电机模型导入到Ansys Workbench系统中，采用Ansys Workbench系统对潜油电机模型进行自动网格剖分；步骤三：对自动网格剖分后的潜油电机模型的温度场进行分析，采用潜油电机的热力学微分方程和热力学微分方程边界条件，确定潜油电机模型求解域的温度场，该温度场为由对流散热产生的温度场；步骤四：根据潜油电机的热力学微分方程和热力学微分方程边界条件设置潜油电机模型的模型材料、初始边界条件和负载，进行潜油电机仿真，获得潜油电机在不同负载下定子、转子和导条的温度场分布云图；所述步骤三中采用潜油电机的热力学微分方程和热力学微分方程边界条件，确定潜油电机模型求解域的温度场的具体方法为：所述潜油电机的热力学微分方程为：$\frac{\partial T}{\partial \tau }=a(\frac{{\partial }^{2}T}{\partial x^2}+\frac{{\partial }^{2}T}{\partial y^2}+\frac{{\partial }^{2}T}{\partial z^2})+\frac{q_v}{\rho c},$式中T为温度，τ为时间微元，a为散热系数，x为空间坐标系中X轴方向的坐标值，y为空间坐标系中Y轴方向的坐标值，z为空间坐标系中Z轴方向的坐标值，q_v为单位体积生热率，ρ为密度，c为质量定容热容，其中式中λ为导热系数；热力学微分方程的热力学第一边界条件为：$T{|}_{S_1}=T_0,T{|}_{S_1}=f(x,y,z,t),$式中，T₀为已知温度；f(x,y,z,t)为已知温度函数，t为时间，S₁为热力学第一类边界面；热力学第一边界条件用于潜油电机模型的热力学第一类边界面S₁上温度为已知的情况；热力学微分方程的热力学第二边界条件为：$-\lambda \frac{\partial T}{\partial n}{|}_{S_2}=q,-\lambda \frac{\partial T}{\partial n}{|}_{S_2}=g(x,y,z,t),$式中n为微元点，S₂为热力学第二类边界面，q为热流密度，g(x,y,z,t)为热流密度函数；热力学第二边界条件用于热力学第二类边界面S₂上的热流密度为已知的情况；热力学微分方程的热力学第三边界条件为：$-\lambda \frac{\partial T}{\partial n}{|}_{S_3}=a(T-T_f),$式中S₃为热力学第三类边界面，T_f为热力学第三类边界面S₃周围流体的温度，根据上述潜油电机的热力学微分方程和热力学微分方程边界条件，确定潜油电机模型求解域的温度场；所述步骤四中获得潜油电机在不同负载下定子、转子和导条的温度场分布云图的具体方法为：根据潜油电机的热力学微分方程和热力学微分方程边界条件确定潜油电机单位体积生热率q_v；然后根据潜油电机的定子阻值、转子阻值、额定工作电流和额定工作电压确定转子绕组的铜损p_{r_copper}：$p_{r\_copper}=3{I_s}^2\frac{s^2{{\omega }_e}^2{L_m}^2}{{R_r}^2+s^2{{\omega }_e}^2{L_r}^2}{R}_r,$式中I_s为定子线圈的电流有效值，_s为转差率，ω_e为同步角速度，L_m为定子与转子之间的互感，R_r为转子阻值，L_r为转子自感；根据定子线圈的电流有效值及定子线圈的阻值，定子铜损P_{s_copper}为：$P_{s\_copper}=3I_s^2{R}_s,$R_s为定子线圈的阻值；利用热力学微分方程的热力学第二边界条件求解潜油电机相互接触的各个部分之间由于热传导和对流换热产生的温度场；利用热力学微分方程的热力学第二边界条件求解潜油电机内部由于对流换热产生的温度场，该对流换热发生在两部分，一为定子内表面及转子外表面与气隙空气的对流换热；二为机壳外表面与原油的对流换热；通过设定已知温度T₀、热力学第三类边界面S₃周围流体的温度T_f、导热系数λ、密度ρ和质量定容热容c，确定热力学微分方程的热力学第三边界条件，再对潜没电机的每个微元求解热力学微分方程，获得潜油电机在不同负载下定子、转子和导条的温度场分布云图。