一种传动链系统协同建模与多物理场分析方法

摘要

本发明的一种传动链系统协同建模与多物理场分析方法，相较于传统的传动链多物理场分析建模方法，其主要的优点为其考虑了传动链变流器侧对传动链系统整体电磁、温度、应力场的影响，通过对传动链系统控制算法、驱动外电路数学模型的建立，计算了发电机在PWM波形下的电磁损耗，并以此为基础，对传动链系统进行了电磁‑温度场迭代计算，待满足精度要求后，将得到的传动链系统温度分布结果作为应力场的初始条件，计算其热应力分布，该发明充分考虑了变流器侧对传动链系统的影响，对传统链系统（变流器‑发电机）进行了协同建模与多物理场分析，其建模过程与结果更符合传动链系统的实际结构与运行工况。

权利要求

1.一种传动链系统协同建模与多物理场分析方法，其特征在于：包括以下步骤；

S1:建立传动链系统控制模型，所述传动链系统控制模型包括控制算法模型与控制外电路模型；

S2: 驱动电路功率管在接收到控制模型中的控制算法所提供的驱动信号后，产生周期性的PWM控制信号，在考虑PWM控制信号的基础上建立发电机的电磁有限元模型，即联立S1中控制模型所产生的控制方程，通过建立似稳场的磁矢位方程求解电机的电磁参数；

其中，在单元格内的电磁有限元模型为： ；（1）

式中

 为x轴方向；

为y轴方向；

 为初始数值；

 为磁阻率；

为磁矢位，其中磁矢位只有z轴的方向的分量；

 为源电流密度；

为磁场强度的切向分量；

 为第一类边界；

 为第二类边界；

S3: 在PWM控制波形的条件下，计算传动链系统的电磁参数，并且建立传动链系统的温度场模型，并且在传动链系统的温度场模型中将电磁损耗作为热源，计算温度分布结果，并且更新传动链系统的电磁参数，进行迭代计算，直至温度分布误差小于5%；

S4: 将稳定的温度分布结果作为传动链系统应力场微分方程模型的初始条件，计算传动链系统的热应力分布；

S5：将计算的电磁损耗、温度分布图、应力分布图结构模型结果输出，然后与传动链系统的设计指标进行比较，最后校验传动链的可靠性。

2.根据权利要求1所述的传动链系统协同建模与多物理场分析方法，其特征在于：所述控制算法模型如下；

；（2）

；（3）

式中， 、 为定子电压的d‑q轴分量， 、 为定子电流的d‑q分量， 为定子电阻，是电角速度， 、 为d‑q轴的电感分量， 为永磁体磁链， 为时间。

3.根据权利要求2所述的传动链系统协同建模与多物理场分析方法，其特征在于：所述控制外电路模型如下；

；（4）

；（5）

式中， 为x相的电动势， 是N相对于参考点O点的电压压降， 为x相的电流， 为负载电流， 为等效电阻， 为等效电感， 为等效电容， 为直流电压， 为分别对三相进行计算， 为时间；

综合式（2）‑（5）即可得到传动链系统的控制模型。

4.根据权利要求3所述的传动链系统协同建模与多物理场分析方法，其特征在于：所述S2中；

；（6）

式中， 、 为定子电流的d‑q分量；

传动链系统电磁场中的磁矢位分布受控制模型中控制算法与驱动外电路的影响，（6）式考虑了在PWM波形控制下的电磁场性能。

5.根据权利要求1所述的传动链系统协同建模与多物理场分析方法，其特征在于：所述S3中，单元格内的温度场模型为： ； (7)

式中， 为电机边界的温度， 为电机边界附近流体的温度， 和 为电机在 和方向上的材料导热系数， 为电机内各热流密度之和， 为换热系数， 为通过边界x1热流密度， 为磁感应强度， 为时间， 为x轴方向， 为y轴方向。

6.根据权利要求1所述的传动链系统协同建模与多物理场分析方法，其特征在于：所述S4中，单元格内的应力场微分方程模型为：；（8）

式中， 、 为 、 方向的正应力， 为各个平面的剪切力， 、 为表面力， 为x轴方向， 为y轴方向。

说明书

一种传动链系统协同建模与多物理场分析方法

技术领域

[0001] 本发明涉及传动链技术领域，尤其涉及一种传动链系统协同建模与多物理场分析方法。

背景技术

[0002] 深远海风力发电机组传动链系统具有容量大、运行环境恶劣、维护成本巨大等特点，传动链系统的高可靠性成为面向深远海大型传动链系统设计的重点；考虑其运行环境恶劣，测试成本较高；其在设计完成后对其进行高精度的高可靠性建模分析成为传动链系统整体优化设计与制造的关键环节；因此针对其运行的实时状况，考虑其控制系统的影响与各个物理场之间的强耦合关系对其进行建模分析对我国高可靠性高效传动链系统的设计与制造有着重要的意义，为我国实现“双碳”目标打下了夯实的基础。

[0003] 面向深远海的传动链系统主要包括变流器‑发电机两大部分，其中变流器在整个传动链系统的建模分析中有着重要的作用，其不同的控制算法会电机的整体电磁性能产生巨大的影响，进而改变其热平衡状态的指标与其材料的机械性能。为保证海上风电传动链系统的可靠性，人们对发电机部分展开了建模分析与优化设计，然而精确的建模分析是实现优化设计的基础，人们虽对发电机部分展开了大量的建模分析，一定程度上校验了传动链系统的可靠性，但其仍然存在着以下缺点：

[0004] （1）传动链系统实时运行状态复杂，未考虑传动链系统中变流器侧对整体多物理场耦合关系的影响，或简化传动链系统中发电机的控制系统，建模时考虑发电机控制系统为理想的三相正弦系统。

[0005] 其次，现有技术在进行传动链系统可靠性分析时，往往只考虑传动链系统中的发电机侧，其仅仅揭示传动链系统中发电机侧的多物理场耦合关系，然而在实际运行过程中，传动链系统作为一个整体运行，其各个部件之间的各个物理场都是相互耦合、相互作用的。仅仅考虑电机侧的物理场性能，难以对整个传动链系统的可靠性进行评估与检测。

[0006] 传统链系统中变流器侧部分包含驱动外电路、控制策略，其通过输出给电机不同幅值与频率的PWM脉冲波形，其相较于理想情况下的三相正弦波形，传动链的整体电磁损耗增加，其功率元件与电机侧的损耗增大、温度增加、所承受的机械应力也进一步增加，因此在校验传动链系统的可靠性时，需要对传动链的整体结构进行建模分析，传统的方法仅仅考虑传动链系统中电机的多物理场分布，其忽略了变流器侧的影响，其所得到的模型往往难以代表传动链整体系统的性能，进而对其进行多物理场分析时，其电磁‑温度迭代计算所得到结果与真实结果相比往往误差较大，其应力分布也与实际运行状态下相比误差较大。

发明内容

[0007] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种传动链系统协同建模与多物理场分析方法。

[0008] 为了解决这一技术问题，本发明采用以下技术方案：

[0009] 一种传动链系统协同建模与多物理场分析方法，包括以下步骤；

[0010] S1:建立传动链系统控制模型，所述传动链系统控制模型包括控制算法模型与控制外电路模型；

[0011] S2: 驱动电路功率管在接收到控制模型中的控制算法所提供的驱动信号后，产生周期性的PWM控制信号，在考虑PWM控制信号的基础上建立发电机的电磁有限元模型，即联立S1中控制模型所产生的控制方程，通过建立似稳场的磁矢位方程求解电机的电磁参数；

[0012] 其中，在单元格内的电磁有限元模型为：

[0013]  ；（1）

[0014] 式中

[0015] 为 x轴方向；

[0016] 为y轴方向；

[0017] 为初始数值；

[0018] 为磁阻率；

[0019] 为磁矢位，其中磁矢位只有z轴的方向的分量；

[0020] 为源电流密度；

[0021] 为磁场强度的切向分量；

[0022]  为第一类边界；

[0023]  为第二类边界；

[0024] S3: 在PWM控制波形的条件下，计算传动链系统的电磁参数，并且建立传动链系统的温度场模型，并且在传动链系统的温度场模型中将电磁损耗作为热源，计算温度分布结果，并且更新传动链系统的电磁参数，进行迭代计算，直至温度分布误差小于5%；

[0025] S4: 将稳定的温度分布结果作为传动链系统应力场微分方程模型的初始条件，计算传动链系统的热应力分布；

[0026] S5：将计算的电磁损耗、温度分布图、应力分布图结构模型结果输出，然后与传动链系统的设计指标进行比较，最后校验传动链的可靠性。

[0027] 进一步地，所述控制算法模型如下；

[0028] ；（2）

[0029] ；（3）

[0030] 式中， 、 为定子电压的d‑q轴分量， 、 为定子电流的d‑q分量， 为定子电阻， 是电角速度， 、 为d‑q轴的电感分量， 为永磁体磁链， 为时间。

[0031] 进一步地，所述控制外电路模型如下；

[0032] ；（4）

[0033] ；（5）

[0034] 式中， 为x相的电动势， 是N相对于参考点O点的电压压降， 为x相的电流，为负载电流， 为等效电阻， 为等效电感， 为等效电容， 为直流电压， 为分别对 三相进行计算， 为时间；

[0035] 综合式（2）‑（5）即可得到传动链系统的控制模型。

[0036] 进一步地，所述S2中；

[0037] ；（6）

[0038] 式中， 、 为定子电流的d‑q分量；

[0039] 传动链系统电磁场中的磁矢位分布受控制模型中控制算法与驱动外电路的影响，（6）式考虑了在PWM波形控制下的电磁场性能。

[0040] 进一步地，所述S3中，单元格内的温度场模型为：

[0041]  ； (7)

[0042] 式中， 为电机边界的温度， 为电机边界附近流体的温度， 和 为电机在和 方向上的材料导热系数， 为电机内各热流密度之和， 为换热系数， 为通过边界x1热流密度， 为磁感应强度， 为时间， 为x轴方向， 为y轴方向。

[0043] 进一步地，所述S4中，单元格内的应力场微分方程模型为：

[0044] ；（8）

[0045] 式中， 、 为 、 方向的正应力， 为各个平面的剪切力， 、 为表面力， 为x轴方向， 为y轴方向。

[0046] 与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

[0047] 1.本发明相较于传统的传动链多物理场分析建模方法，其主要的优点为其考虑了传动链变流器侧对传动链系统整体电磁、温度、应力场的影响，通过对传动链系统控制算法、驱动外电路数学模型的建立，计算了发电机在PWM波形下的电磁损耗，并以此为基础，对传动链系统进行了电磁‑温度场迭代计算，待满足精度要求后，将得到的传动链系统温度分布结果作为应力场的初始条件，计算其热应力分布。该发明充分考虑了变流器侧对传动链系统的影响，对传统连系统（变流器‑发电机）进行了协同建模与多物理场分析，其建模过程与结果更符合传动链系统的实际结构与运行工况。

[0048] 2.本发明建立了传动链系统协同计算分析平台，通过搭建控制外电路、实现控制算法等步骤充分考虑了传动链系统控制模块对整体性能的影响；其次，通过电磁模型接口，建立传动链系统电磁‑温度‑应力的多物理场计算模型，在PWM供电波形下，计算传动链的电磁损耗所引起的温升分布以及传动链系统的应力分布，该方法综合考虑了传动链系统各个部分、以及各个部分中的各个物理场之间的耦合关系，准确的建立了传动链系统的多物理场模型，精确计算了不同工况以及运行状态下的传动链系统性能。

具体实施方式

[0049] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特征细节仅仅是为了帮助全面理解本发明的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本发明的范围和精神。另外，为了清楚和简洁，省略了对已知功能和构造的描述。

[0050] 应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。

[0051] 在本发明的各种实施例中，应理解，下述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

[0052] 应理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

[0053] 在本申请所提供的实施例中，应理解，“与A相应的B”表示B与A相关联，根据A可以确定B。但还应理解，根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其它信息确定B。

[0054] 本发明提供一种传动链系统协同建模与多物理场分析方法，包括以下步骤；

[0055] S1:建立传动链系统控制模型，所述传动链系统控制模型包括控制算法模型与控制外电路模型，其中，控制算法模型如下；

[0056] ；（2）

[0057] ；（3）

[0058] 式中， 、 为定子电压的d‑q轴分量， 、 为定子电流的d‑q分量， 为定子电阻， 是电角速度， 、 为d‑q轴的电感分量， 为永磁体磁链， 为时间；

[0059] 控制外电路模型如下；

[0060] ；（4）

[0061] ；（5）

[0062] 式中， 为x相的电动势， 是N相对于参考点O点的电压压降， 为x相的电流，为负载电流， 为等效电阻， 为等效电感， 为等效电容， 为直流电压， 为分别对 三相进行计算， 为时间；

[0063] 综合式（2）‑（5）即可得到传动链系统的控制模型；

[0064] S2: 驱动电路功率管在接收到控制模型中的控制算法所提供的驱动信号后，产生周期性的PWM控制信号，在考虑PWM控制信号的基础上建立发电机的电磁有限元模型，即联立S1中控制模型所产生的控制方程，通过建立似稳场的磁矢位方程求解电机的电磁参数；

[0065] 其中，在单元格内的电磁有限元模型为：

[0066]  ；（1）

[0067] 式中

[0068] 为x轴方向；

[0069] 为y轴方向；

[0070] 为初始数值；

[0071] 为磁阻率；

[0072] 为磁矢位，其中磁矢位只有z轴的方向的分量；

[0073] 为源电流密度；

[0074] 为磁场强度的切向分量；

[0075] 为第一类边界；

[0076] 为第二类边界；

[0077] 其中：

[0078] ；（6）

[0079] 式中， 、 为定子电流的d‑q分量；

[0080] 传动链系统电磁场中的磁矢位分布受控制模型中控制算法与驱动外电路的影响，（6）式考虑了在PWM波形控制下的电磁场性能；

[0081] S3: 在PWM控制波形的条件下，计算传动链系统的电磁参数，并且建立传动链系统的温度场模型，并且在传动链系统的温度场模型中将电磁损耗作为热源，计算温度分布结果，并且更新传动链系统的电磁参数，进行迭代计算，直至温度分布误差小于5%；

[0082] 其中，在单元格内的温度场模型为：

[0083]  ； (7)

[0084] 式中， 为电机边界的温度， 为电机边界附近流体的温度， 和 为电机在和 方向上的材料导热系数， 为电机内各热流密度之和， 为换热系数， 为通过边界x1热流密度， 为磁感应强度， 为时间， 为x轴方向， 为y轴方向；

[0085] S4: 将稳定的温度分布结果作为传动链系统应力场微分方程模型的初始条件，计算传动链系统的热应力分布；

[0086] 其中在单元格内的应力场微分方程模型为：

[0087] ；（8）

[0088] 式中， 、 为 、 方向的正应力， 为各个平面的剪切力， 、 为表面力， 为x轴方向， 为y轴方向；

[0089] S5：将计算的电磁损耗、温度分布图、应力分布图结构模型结果输出，然后与传动链系统的设计指标进行比较，最后校验传动链的可靠性。

[0090] 由此，本发明考虑了传动链变流器侧对传动链系统整体电磁、温度、应力场的影响，通过对传动链系统控制算法、驱动外电路数学模型的建立，计算了发电机在PWM波形下的电磁损耗，并以此为基础，对传动链系统进行了电磁‑温度场迭代计算，待满足精度要求后，将得到的传动链系统温度分布结果作为应力场的初始条件，计算其热应力分布；

[0091] 此外，本发明充分考虑了变流器侧对传动链系统的影响，对传统链系统（变流器‑发电机）进行了协同建模与多物理场分析，其建模过程与结果更符合传动链系统的实际结构与运行工况。

[0092] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明技术方案进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。