一种考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法

1.本发明涉及血泵驱动电机设计领域，尤其涉及一种考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法。


背景技术：

2.人工心脏泵由于能够取代心脏完成射血功能，已成为晚期重症心衰患者主要治疗手段，具有重要的研究价值。自20世纪70年代以来，人工心脏泵的研制已历经三代。第一代人工心脏泵以搏动泵为代表，存在体积庞大、结构复杂等缺点；第二代人工心脏泵则利用叶轮旋转产生连续性血流的旋转泵，克服了以上缺点，但其机械轴承导致摩擦生热，损耗偏高并且容易产生溶血和血栓问题。第三代人工心脏泵则采用液悬浮或磁悬浮轴承，多采用离心泵，通过悬浮系统避免了轴与血液的机械接触，是当前的研究热点，随着体外膜肺氧合(ecmo)技术的深入发展，越来越多的学者开展了体外循环系统的磁悬浮离心血泵的设计研究。驱动电机作为影响磁悬浮离心血泵性能的重要部分，对其进行高精度的设计具有重要意义。
3.目前常用磁悬浮离心泵的驱动方式包括外部电机驱动式、直接电机驱动式、无轴承式等，其中外部电机驱动式离心式血泵的叶轮一般由外置的无刷直流电机通过磁力耦合的方式驱动旋转。驱动电机主要为有槽或无槽永磁无刷直流电机，目前对磁悬浮离心血泵电机设计大部分通过磁路法和有限元法结合的方式，首先通过计算确定电机各个参数，再利用电磁场软件进行修正，得到符合目标性能的电机，电机工作温度往往采用经验值。
4.然而，对于不同的电机结构，在不同散热条件下具有不同的温升分布，按照经验选取工作温度往往不准。实际上，温度对电机的工作性能有较大影响，主要体现在不同温度下永磁体磁性能和绕组相电阻的变化，当经验工作温度与电机实际工作温度产生较大偏差时，电机机械特性会与设计目标值偏离较大。因此，为使电机在额定工况长期运行下电机机械特性符合设计要求，获取电机额定工况的温升分布并将其用于电机设计具有重要意义。目前，磁热耦合是分析电机温升的有效工具，能够得到较为精准的温度分布。尽管许多文献报道了电机的磁热耦合研究，但其目的主要在于对设计完成的电机进行热分析，评估其是否能够正常运行，或研究散热结构等方面，很少将温度计算结果用于电机设计的温度修正。即便进行温度修正，在对电机原有机械特性性能的保持方面也不够全面细致，例如仅仅保持额定转矩不变，转速常数发生改变。还有一部分电机热分析是基于专门开发的电机设计软件开展的，但软件中的既有温度分析模型有较高局限性，未考虑多样的散热结构对温度的影响，精度不高。总之，目前尚缺乏系统地考虑温度修正且精度较高的电机设计方法。
5.另外，在温度修正前后，模型必然发生改变，由此导致电机温度分析结果也会变化，反复对修改模型进行温度场分析会降低设计效率，但仅进行一次分析又会导致设计精度不高。因此，如何保持修正前后温度分布基本不变，兼顾设计的效率与精度，是温度修正的难点。


技术实现要素：

6.本发明提供一种考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，以克服上述技术的问题。
7.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
8.一种考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，包括如下步骤：
9.s1，获取所述磁悬浮血泵的流量q、扬程h、转速n和效率η
p
，计算驱动永磁无刷电机的额定功率等参数，选择所述电机额定电压，预取电负荷与磁负荷，预先确定所述电机定转子拓扑结构及尺寸、永磁体参数、绕组类型；
10.s2，选择永磁体的经验工作温度t1作为其实际工作温度，计算温度t1下的剩磁和矫顽力，通过电磁场分析得到所述电机的空载气隙磁密b
δ0
，计算空载气隙磁通φ
δ0
；
11.s3，获取所述电机目标空载转速n0，根据所述电机的空载气隙磁通φ
δ0
，计算每相串联匝数w
φ
和每相电阻r
φ
，选择绕组经验工作温度t2作为其实际工作温度，在温度t2下计算所用铜线的截面积q
cu
，确定所述电机初始模型；
12.s4，在永磁体经验工作温度t1和绕组经验工作温度t2下对所述电机开展二维电磁场分析，计算所述电机的铜耗、定转子铁芯损耗、永磁体涡流损耗；
13.s5，建立电机温度场三维模型，获取各部件热导率、比热容、密度等材料属性和温度场散热条件，将所述电机的铜耗、定转子铁芯损耗、永磁体涡流损耗作为温度场分析热源，其中铜耗分为有效边铜耗p1和端部铜耗p2进行精确计算，开展额定工况下的稳态温度场分析，得到永磁体平均温度t1′
和绕组平均温度t2′
；
14.s6，以永磁体平均温度t1′
作为其实际工作温度,计算温度t1′
下所述永磁体的剩磁和矫顽力，保持气隙和永磁体总厚度不变，通过参数化模型绘制温度t1′
下空载气隙磁密b
δ0
与永磁体厚度的关系曲线，修正所述电机初始模型的永磁体厚度使电机空载气隙磁密保持为b
δ0
；
15.s7，以绕组平均温度t2′
作为其实际工作温度，在温度t2′
下重新计算所用铜线的截面积，修正所述电机初始模型的截面积使每相电阻保持为r
φ
，确定所述电机最终模型，完成设计；
16.进一步的，所述s1中电机额定功率计算如下：
[0017][0018]
式中，
[0019]
pn为所述电机的额定功率，单位为w；
[0020]
ρ为血液密度，取1050kg
·
m-3
；
[0021]
g为重力加速度，取9.8m
·
s-2
；
[0022]
q为所述血泵的流量，单位为m3·
s-1
；
[0023]
h为所述血泵的扬程,单位为m；
[0024]
η
p
为血泵本身的效率，即输出功率与轴功率之比；
[0025]
η
t
为传动效率，磁悬浮血泵传动效率取1；
[0026]
k为富余系数，取1.5；
[0027]
所述电机的额定转速nn即为血泵转速n，控制方式为三相六状态；
[0028]
进一步的，所述s2中永磁体选用表贴式钕铁硼，近似认为永磁体退磁曲线为第二象限的直线，且工作温度下不发生退磁，获取所述永磁体的剩磁温度系数α1和矫顽力温度系数α2后计算温度t1下永磁体的剩磁和矫顽力；
[0029]
所述电磁场分析通过电磁场软件maxwell中的rmxprt模块完成，在该模块中选用永磁无刷直流电机，设置预先确定得定转子拓扑结构及尺寸、永磁体相关参数，通过rmxprt求解即可得到空载气隙磁密b
δ0
，进一步计算空载气隙磁通φ
δ0
如下：
[0030]
φ
δ0
＝αiτlab
δ0
(6)
[0031]
式中，
[0032]
αi为极弧系数；
[0033]
τ为极距；
[0034]
la为所述电机电枢长度；
[0035]
进一步的，所述s3中目标空载转速n0根据电机设计要求的机械特性曲线确定；
[0036]
每相串联匝数w
φ
计算如下：
[0037][0038]
式中，
[0039]
un为额定电压；
[0040]
p为极对数；
[0041]
n0为空载转速；
[0042]ky
为绕组短距系数；
[0043]kp
为绕组分布系数；
[0044]
δu为开关管导通压降；
[0045]
每相电阻r
φ
计算如下：
[0046][0047]
式中，
[0048]
t
cp
为计算转矩；
[0049]el
为反电势；
[0050]
其中，t
cp
计算如下：
[0051][0052]
式中，
[0053]
ηn为电机预取额定效率；
[0054]
tn为额定转矩；
[0055]el
计算如下：
[0056][0057]
铜线截面积q
cu
选取如下：
[0058][0059]
式中，
[0060]
a为并联支路数；
[0061]
l
ar
为单匝线圈长度；
[0062]
ρ
20℃
为铜20℃的电阻率，取0.0185ω
·
mm2/m；
[0063]
α为铜电阻率温度系数，取0.0039；
[0064]
进一步的，所述s4中电机的二维模型首先通过maxwell软件中的rmxprt模块建立，其中永磁体温度通过设置永磁体材料的剩磁和矫顽力反映，绕组温度通过设置仿真工作温度反映；最终由rmxprt求解模型创建maxwell2d求解模型，各损耗通过maxwell2d瞬态求解器求解；
[0065]
进一步的，所述s5中温度场三维模型首先通过spaceclaim进行预处理，再导入fluent进行网格剖分和求解，至少包括定转子、绕组、绝缘、永磁体、转子、轴和外壳；所述s5中温度场散热条件包括热传导、热对流。热传导包括：各部件间的热传导，其中绕组端部绝缘层通过设置薄壳传热模拟；热对流包括：机壳内部空气运动和壁面的对流，通过设置转子外围的旋转壁面模拟；机壳表面的对流，通过设置对流换热系数和环境温度模拟；水冷或风冷的强制对流，通过设置相应进出口边界条件模拟；
[0066]
进一步的，所述s5中额定工况下的定转子铁芯损耗、永磁体涡流损耗由maxwell2d电磁场模型耦合导入到fluent三维温度场模型，耦合平台为ansysworkbench，绕组的铜耗分为有效边和端部分别计算并手动输入软件，三者作为所述三维模型的热源；
[0067]
其中，绕组有效边铜耗计算如下：
[0068][0069]
式中，
[0070]
strandedloss为绕组铜耗；
[0071]
p1为绕组有效边铜耗；
[0072]
t
avg1
为绕组有效边平均温度，由fluent计算；
[0073]
t2′
由fluent计算；
[0074]
le为单匝线圈单侧端部长度；
[0075]
绕组端部铜耗计算如下：
[0076][0077]
式中，
[0078]
p2为绕组端部铜耗；
[0079]
t
avg2
为绕组平均温度，由fluent计算。
[0080]
进一步的，所述s6中参数化模型通过rmxprt建立；
[0081]
有益效果：
[0082]
1、相比传统电机设计方法，本发明可确保实际工作温度下电机的目标机械特性。
考虑到永磁体磁性能和绕组相电阻受温度影响最显著，本发明提出实际温度下永磁体厚度和绕组截面积修正的具体方法，能够保持实际工作温度下电机的空载转速和额定转矩仍维持目标值，从而保持目标机械特性；
[0083]
2、本发明全过程仅进行一次单向磁热耦合，能确保电机模型温度修正前后温度场模型基本不变，兼顾了效率与精度。修正前后相电阻和额定电流不变，主要损耗铜耗为固定不变值，故仅需单向磁热耦合，同时由于仅调整永磁体厚度和绕组截面积，温度场模型几乎不变，故仅需单次磁热耦合。
[0084]
3、本发明区分绕组有效边和端部更精确施加铜耗热源，使温度分布结果更准确。由于绕组有效边和端部散热条件不同导致温度不同，根据铜耗随温度变化的线性性质，本发明按照有效边和端部各自温度进行总铜耗的精确分配，进而使温度场分析结果更准确。
附图说明
[0085]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0086]
图1为本发明的一种考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法的流程图；
[0087]
图2为本发明磁热耦合关系示意图；
[0088]
图3为本发明实施例中设计电机的定转子部分尺寸参数图；
[0089]
图4为本发明实施例中设计电机各主要部分的平均温度计算图；
[0090]
图5为本发明实施例中空载气隙磁密与永磁体厚度关系曲线；
具体实施方式
[0091]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0092]
本实施例提供了一种考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0093]
一种考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，包括如下步骤：
[0094]
s1，获取所述磁悬浮血泵的流量q、扬程h、转速n和效率η
p
，要求泵在流量q下，叶轮以转速n旋转能够产生要求的扬程h，并对血泵效率η
p
进行估算，从而计算驱动电机的额定功率，获取额定转速nn并计算额定转矩tn，再选择所述电机额定电压，预取电负荷与磁负荷，预先确定所述电机定转子拓扑结构及尺寸、永磁体参数、绕组类型；
[0095]
电机额定功率计算如下：
[0096][0097]
式中，
[0098]
pn为所述电机的额定功率，单位为w；
[0099]
ρ为血液密度，取1050kg
·
m-3
；
[0100]
g为重力加速度，取9.8m
·
s-2
；
[0101]
q为所述血泵的流量，单位为m3·
s-1
；
[0102]
h为所述血泵的扬程,单位为m；
[0103]
η
p
为血泵本身的效率，即输出功率与轴功率之比；
[0104]
η
t
为传动效率，磁悬浮血泵传动效率取1；
[0105]
k为富余系数，取1.5；
[0106]
电机的额定转速nn与叶轮转速n相同，控制方式为三相六状态。
[0107]
工作电压根据电机预期电磁负荷条件选取，一般取12v、24v、36v，在功率一定时，电机电压选择越大，额定电流越小，在其他条件相同时，电负荷相对更小，但对磁负荷的要求会有所提高。
[0108]
定子铁芯的内径和长度选取原则如下：
[0109][0110]
式中，
[0111]di
为定子内径；
[0112]
la为定子铁芯轴向长度，也即电枢长度；
[0113]
p
′
为计算功率，即电机长期运行输出功率；
[0114]nn
为额定转速；
[0115]
αi为极弧系数；
[0116]
a为电负荷，考虑电机热条件，一般取50～150a/m；
[0117]bδ
为气隙磁通密度，表征电机磁负荷，一般取4000gs～8000gs；
[0118]ky
为绕组短距系数；
[0119]kp
为绕组分布系数；
[0120]kφ
为磁场波形系数；
[0121]
其中，p
′
计算如下：
[0122][0123]
式中，
[0124]
ηn为电机预取效率；
[0125]
s2，选择永磁体的经验工作温度t1作为其实际工作温度，获取所述永磁体的剩磁温度系数α1和矫顽力温度系数α2用于计算温度t1下的剩磁和矫顽力，通过电磁场分析得到所述电机的空载气隙磁密b
δ0
，计算空载气隙磁通φ
δ0
；
[0126]
其中，永磁体选用表贴式钕铁硼，近似认为永磁体退磁曲线为第二象限的直线，且工作温度不导致退磁，所述永磁体剩磁计算如下：
[0127][0128]
式中，
[0129]
为所述永磁体在温度t1下的剩磁，同理；
[0130]
t0为所述永磁体参考温度；
[0131]
所述永磁体矫顽力计算如下：
[0132][0133]
式中，
[0134]
为所述永磁体在温度t1下的矫顽力，同理；
[0135]
所述电磁场分析通过电磁场软件maxwell中的rmxprt模块完成，在该模块中选用永磁无刷直流电机，设置电机定转子和永磁体等参数，其中永磁体剩磁和矫顽力设置如上，之后利用rmxprt模块求解即可得到空载气隙磁密b
δ0
，空载气隙磁通φ
δ0
计算如下：
[0136]
φ
δ0
＝αiτlab
δ0
(6)
[0137]
式中，
[0138]
αi为极弧系数；
[0139]
τ为极距；
[0140]
la为所述电机电枢长度；
[0141]
在电机设计传统方法中，一般采用磁路法进行空载气隙磁密和磁通的求解，但由于外磁路的非线性性质，最终求解结果误差较大，此处利用软件进行空载气隙磁密计算，相比磁路法具有更高精度和效率；
[0142]
s3，获取所述电机目标空载转速n0，根据所述电机的空载气隙磁通φ
δ0
，计算每相串联匝数w
φ
和每相电阻r
φ
，选择绕组经验工作温度t2作为其实际工作温度，在温度t2下计算所用铜线的截面积q
cu
，得到所述电机初始模型；
[0143]
其中，往往在进行电机设计时，需要确定电机的额定工作点和转速常数kn等参数，从而确定预期的机械特性曲线，因此目标空载转速n0也是已知的。每相串联匝数w
φ
计算如下：
[0144][0145]
式中，
[0146]
un为额定电压；
[0147]
p为极对数；
[0148]
n0为空载转速；
[0149]
δu为开关管导通压降；
[0150]
每相电阻r
φ
计算如下：
[0151][0152]
式中，
[0153]
t
cp
为计算转矩；
[0154]el
为反电势；
[0155]
其中，t
cp
计算如下：
[0156]
[0157]
式中，
[0158]
tn为额定转矩；
[0159]el
计算如下：
[0160][0161]
式中，
[0162]nn
为额定转速；
[0163]
相电阻也可计算如下：
[0164]
式中，
[0165]
l
ar
为绕组一匝平均长度；
[0166]qcu
为绕组截面积；
[0167]
ρ
l
为绕组单位长度对应截面积的电阻率；
[0168]
a为并联支路数；
[0169]
由于铜的导热性较好且铜线截面积相较于长度往往不大，因此近似认为绕组截面积内温度相差不大，截面积温度即为截面积平均温度，则：
[0170][0171]
式中，
[0172]
ρ
20℃
为铜20℃的电阻率，取0.0185ω
·
mm2/m；
[0173]
α为铜电阻率温度系数，取0.0039；
[0174]
ts为绕组单位长度对应截面积的平均温度，此处选择绕组经验工作温度；
[0175]
由式(11)和式(12)推导得：
[0176][0177]
式中，
[0178]
为绕组各单位长度截面积温度的平均，即绕组平均温度t2′
，用于代表绕组实际工作温度；
[0179]
由于还未进行热分析，因此用经验工作温度t2代替绕组实际工作温度，铜线截面积q
cu
选取原则如下：
[0180][0181]
s4，在永磁体经验工作温度t1和绕组经验工作温度t2下对所述电机开展二维电磁场分析，计算所述电机的铜耗、定转子铁芯损耗、永磁体涡流损耗；
[0182]
其中，电机的二维模型首先通过maxwell软件中的rmxprt模块快速建立。永磁体设置方法为设置永磁体材料在t1温度下的剩磁和矫顽力；相电阻设置方法为在rmxprt中手动输入半匝线圈的长度同时设置仿真温度为t2，以确保生成的电机绕组相电阻为r
φ
。在生成rmxprt模型并仿真后，由该模型创建maxwell的二维瞬态场模型进行有限元仿真，有限元
仿真是精确的数值求解，有别于笼统的公式计算，结果更加精确，其各个损耗计算原理如下；
[0183]
定子铁芯损耗计算如下：
[0184]
statorloss＝khfb
m2
+kcfb
m2
+kefb
m1.5
(15)
[0185]
式中，
[0186]
statorloss为定子铁芯损耗；
[0187]
kh为电工钢磁滞系数；
[0188]
kc为电工钢涡流损耗系数；
[0189]
ke为电工钢附加损耗系数；
[0190]bm
为交流磁通分量的振幅；
[0191]
转子铁芯损耗计算原理同式(15)；
[0192]
铜耗计算如下：
[0193][0194]
式中，
[0195]
strandedloss为铜耗；
[0196]
σ为温度t2下的铜电阻率；
[0197]
vol为绕组体积；
[0198]
j为绕组激励方向截面的电流密度；
[0199]
永磁体涡流损耗计算原理同式(16)。
[0200]
s5，建立电机温度场三维模型，获取各部件热导率、比热容、密度等材料属性和温度场散热条件，将所述电机的铜耗、定转子铁芯损耗、永磁体涡流损耗作为温度场分析热源，其中铜耗分为有效边铜耗p1和端部铜耗p2进行精确计算，开展额定工况下的稳态温度场分析，得到永磁体平均温度t1′
和绕组平均温度t2′
；
[0201]
传热方式包括热传导、热对流、热辐射，由于热辐射的量很小，因此忽略不计。
[0202]
热传导为各个部件之间的温度差异引发的热量传递，原理如下：
[0203][0204]
式中，
[0205]
q为热流量，表示单位时间内通过某一给定面积的热量；
[0206]
a为导热面积；
[0207]
λ为材料热导率；
[0208]
为温度梯度；
[0209]
热对流为温度不同的各部分流体之间发生相对运动所引起的热量传递方式，原理如下：
[0210]
q＝ahq(t
s-tf)(18)
[0211]
式中，
[0212]
h为对流换热系数；
[0213]
ts为表面温度；
[0214]
tf为流体温度；
[0215]
温度场三维模型首先通过spaceclaim进行预处理，再导入fluent进行网格剖分和求解，至少包括定转子、绕组、绝缘、永磁体、转子、轴和外壳；温度场散热条件包括热传导、热对流。热传导包括：各部件间的热传导，其中绕组端部绝缘层通过设置薄壳传热模拟；热对流包括：机壳内部空气运动和壁面的对流，通过设置转子外围的旋转壁面模拟；机壳表面的对流，通过设置对流换热系数和环境温度模拟；水冷或风冷的强制对流，通过设置相应进出口边界条件模拟；
[0216]
热源导入原理为基于耦合平台ansysworkbench,由maxwell2d将额定工况下定转子铁芯损耗、永磁体涡流损耗的平均损耗密度导入到fluent3d对应位置平面，由fluent进行轴向积分，从而生成定转子和永磁体的热源，该热源能够反映二维平面的损耗分布。其中损耗应选取达到稳定后的一个电机旋转周期导入，此时的损耗为额定工况下的损耗。由于绕组铜耗不适合轴向积分，因此手动输入。考虑到绕组的有效边部分和端部热条件不同，有效边和绕组往往有不同温度，因此绕组的铜耗分为有效边和端部分别输入；
[0217]
其中，绕组有效边铜耗计算如下：
[0218][0219]
式中，
[0220]
p1为绕组有效边铜耗；
[0221]
t
avg1
为绕组有效边平均温度，由fluent计算；
[0222]
t2′
由fluent计算；
[0223]
绕组端部铜耗计算如下：
[0224][0225]
式中，
[0226]
p2为绕组端部铜耗；
[0227]
t
avg2
为绕组平均温度，由fluent计算。
[0228]
温度场分析选用标准k-epsilon模型，标准壁面函数进行稳态求解，直到结果满足收敛精度要求。
[0229]
s6，以永磁体平均温度t1′
作为其实际工作温度,计算温度t1′
下所述永磁体的剩磁和矫顽力，保持气隙和永磁体总厚度不变，通过参数化模型绘制温度t1′
下空载气隙磁密b
δ0
与永磁体厚度的关系曲线，修正所述电机初始模型的永磁体厚度使电机空载气隙磁密保持为b
δ0
；
[0230]
温度t1′
下永磁体的剩磁和矫顽力计算方法与式(4)和式(5)相同，仅温度由t1变为t1′
；参数化模型通过rmxprt建立，修改原rmxprt中的模型永磁体材料特性为计算所得剩磁和矫顽力，保持气隙和永磁体厚度之和不变，以永磁体厚度为变量，绘制不同厚度下空载气隙磁密与永磁体厚度的关系曲线，进而选择最佳永磁体厚度。通过保持空载气隙磁密不变，能够使空载转速在实际工作温度下保持为目标空载转速n0；
[0231]
s7，以绕组平均温度t2′
作为其实际工作温度，在温度t2′
下重新计算所用铜线的截
面积，修正所述电机初始模型的截面积使每相电阻保持为r
φ
，得到所述电机最终模型，完成设计；
[0232]
其中，截面积计算方法与式(14)相同，仅温度由t2变为t2′
；
[0233]
本步骤能够保持实际温度工作下额定转矩保持为为目标额定转矩，原因如下：负载气隙磁密可以视为电枢电流引起的磁密和永磁体引起的空载气隙磁密的叠加，其中空载气隙磁密保持为b
δ0
不变，同时由于磁路结构中仅改变了永磁体厚度，永磁体磁导率与空气相同，因此电枢电流引起的磁密也不变，故最终负载气隙磁密不变；又因为相电阻保持不变，因此额定电流不变，最终额定转矩不变；
[0234]
通过保持实际工作温度下空载转速和额定转矩为目标空载转速n0和目标额定转矩tn，本发明能够保持实际工作温度下机械特性为目标机械特性。
[0235]
此外，由于电路结构和磁路结构在修正前后是相同的，仅永磁体涡流损耗改变，同时绕组截面积和永磁体厚度有轻微改变，由于相电阻和额定电流不变，影响温度场分布的主要热源铜耗在修正前后是始终不变且已知的固定值，因此最终温度场分布几乎不变，全程只需要进行一次单向磁热耦合。
[0236]
综上，本发明提出的一种考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，首先获取所述磁悬浮血泵的流量、扬程、转速等目标参数，计算得到驱动电机的额定功率和额定转速，确定电机的额定电压、电机各部分结构尺寸及绕组类型；之后，利用软件计算空载气隙磁密；之后，根据该磁密进行电路计算，得到绕组相电阻和截面积，确定电机的初始模型；之后，建立该模型的二维瞬态电磁场模型，利用有限元法计算额定工况和经验工作温度下电机各部分损耗；之后，建立该模型的三维温度场模型，将各损耗作为热源开展额定工况和经验工作温度下的稳态温度场分析得到较高精度的永磁体和绕组平均温度；之后，在永磁体平均温度下更改永磁体厚度使空载气隙磁密不变；最后，在绕组平均温度下更改绕组截面积使相电阻不变，确定电机的最终模型，完成设计。
[0237]
本发明的一个实施例如下：
[0238]
设计一种用于ecmo系统的磁悬浮血泵，要求5l/min的流量下，3000rpm能够有400mmhg的扬程。
[0239]
取ρgh＝400mmhg，q＝5l/min，η
p
＝0.4，η
t
＝1，k＝1.25，则根据式(1)计算可得pn＝13.85w，取pn＝15w，预估效率为75％。因此电机参数选择如下：
[0240]
u＝24v，pn＝15w，nn＝3000rpm，tn＝0.048n
·m[0241]
依据式(2)的设计原则，确定电机模型如表1所示，其部分尺寸参数标注见图1；绕组类型为双层短距集中绕组，短距角为60度。
[0242]
表1电机参数
[0243][0244]
选取永磁体经验工作温度t1＝20℃，剩磁温度系数α1和矫顽力温度系数α2均为0.11％，根据式(4)、式(5)计算该温度下剩磁和矫顽力作为永磁体材料特性，其中利用maxwell软件中的rmxprt模块仿真得出空载气隙磁密为0.492t；
[0245]
利用该气隙磁密进行电路计算，绕组经验工作温度t2＝40℃，目标空载转速n0＝3600rpm，额定转矩，即3000rpm转矩为0.048n
·
m，由式(7)、式(8)和式(14)得出该气隙磁密下的每相串联匝数为w
φ
＝79匝、相电阻r
φ
＝2.05ω，绕组截面积q
cu
＝0.152mm2，得到电机初始模型，以t2作为仿真温度在rmxprt中仿真得到该模型性能如表2所示，空载转速和额定转矩基本符合预期，主要误差仅是未考虑电枢反应引起的，本实施例的设计目标即为保持空载转速和额定转矩在实际工作温度下仍能保持仿真所得空载转速和额定转矩不变；
[0246]
基于上述rmxprt模型创建maxwell2d瞬态场模型，设置转速为3000rpm，计算铜耗、定转子铁芯损耗、永磁体涡流损耗，计算结果表2所示；
[0247]
建立所述电机的三维模型，利用spaceclaim进行模型前处理，在fluent中进行网格剖分，将上述定转子铁芯损耗、永磁体涡流损耗经过ansysworkbench耦合导入三维模型作为热源，依据式(19)和式(20)手动添加绕组端部和有效边热源，其中端部和有效边热源根据各自平均温度动态变化。机壳设置对流换热系数为5、环境温度25度，由于本电机功率较小，不额外添加风冷或水冷，仿真得到定转子、绕组和永磁体平均温度计算如图4所示，在fluent软件中得到永磁体和绕组平均温度均约为44-45度，取45度，即t1′
＝t2′
＝45℃；
[0248]
由式(4)、式(5)确定永磁体实际工作温度t1′
下永磁体剩磁和矫顽力为为使实际稳态温度工作温度下的电机性能更接近原始电机性能，需要保持空载气隙磁密不变，对永磁体厚度参数化建模，得到空载气隙磁密与永磁体厚度关系曲线如图5所示，最终将永磁体厚度由3.15mm调整为3.21mm，使空载气隙磁密基本保持不变；
[0249]
在t2′
温度下重新计算导线截面积，改变导体截面直径使相电阻保持不变。经计算后，由于t2′
与t2仅相差5℃，原导线截面直径仅增加0.28％，几乎不变，因此本实施例不对截面积进行修正，得到电机最终模型。最后，本实施例对比了初始模型、考虑温度影响但未修正永磁体厚度和截面积的电机模型、修正后的最终模型三者性能差异，同时还比较了三者主要损耗的瞬态场计算结果，如表2所示。
[0250]
表2电机性能和损耗对比
[0251][0252][0253]
由表2可知，通过永磁体厚度的调整，电机的额定转速、额定转矩均基本恢复到原始电机性能水平，证明本设计方法是有效的。由于本实施例的离心血泵驱动电机额定功率较低，温升不大，并且与经验工作温度相差不大，因此修正的优势并不明显。显而易见地，当电机额定功率较大，散热条件较为恶劣，而又缺乏对电机实际工作温度的足够经验时，本设计的修正能够使电机在实际工作温度下性能更优，机械特性仍能保持设计目标。
[0254]
由表2同时可知，在对初始模型进行参数修正前后，铜耗均占主要部分，并且修正前后基本保持不变，确保了温度场分析结果也能保持基本不变，无需再次进行温度场分析。
[0255]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；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范围。

技术特征：
1.一种考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，其特征在于，包括如下步骤：s1，获取所述磁悬浮血泵的流量q、扬程h、转速n和效率n
p
，计算驱动永磁无刷电机的额定功率等参数，选择所述电机额定电压，预取电负荷与磁负荷，预先确定所述电机定转子拓扑结构及尺寸、永磁体参数、绕组类型；s2，选择永磁体的经验工作温度t1作为其实际工作温度，计算温度t1下的剩磁和矫顽力，通过电磁场分析得到所述电机的空载气隙磁密b
δ0
，计算空载气隙磁通φ
δ0
；s3，获取所述电机目标空载转速n0，根据所述电机的空载气隙磁通φ
δ0
，计算每相串联匝数w
φ
和每相电阻r
φ
，选择绕组经验工作温度t2作为其实际工作温度，在温度t2下计算所用铜线的截面积q
cu
，确定所述电机初始模型；s4，在永磁体经验工作温度t1和绕组经验工作温度t2下对所述电机开展二维电磁场分析，计算所述电机的铜耗、定转子铁芯损耗、永磁体涡流损耗；s5，建立电机温度场三维模型，获取各部件热导率、比热容、密度等材料属性和温度场散热条件，将所述电机的铜耗、定转子铁芯损耗、永磁体涡流损耗作为温度场分析热源，其中铜耗分为有效边铜耗p1和端部铜耗p2进行精确计算，开展额定工况下的稳态温度场分析，得到永磁体平均温度t1′
和绕组平均温度t2′
；s6，以永磁体平均温度t1′
作为其实际工作温度,计算温度t1′
下所述永磁体的剩磁和矫顽力，保持气隙和永磁体总厚度不变，通过参数化模型绘制温度t1′
下空载气隙磁密b
δ0
与永磁体厚度的关系曲线，修正所述电机初始模型的永磁体厚度使电机空载气隙磁密保持为b
δ0
；s7，以绕组平均温度t2′
作为其实际工作温度，在温度t2′
下重新计算所用铜线的截面积，修正所述电机初始模型的截面积使每相电阻保持为r
φ
，确定所述电机最终模型，完成设计。2.根据权利要求1所述的考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，其特征在于，所述s1中电机额定功率计算如下：式中，p
n
为所述电机的额定功率，单位为w；ρ为血液密度，取1050kg
·
m-3
；g为重力加速度，取9.8m
·
s-2
；q为所述血泵的流量，单位为m3·
s-1
；h为所述血泵的扬程,单位为m；η
p
为血泵本身的效率，即输出功率与轴功率之比；η
t
为传动效率，磁悬浮血泵传动效率取1；k为富余系数，取1.5；所述电机的额定转速n
n
即为血泵转速n，控制方式为三相六状态。3.根据权利要求1所述的考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，其特征在于，所述s2中，永磁体选用表贴式钕铁硼，近似认为永磁体退磁曲线为第二象限的直线，且工作温度下不发生退磁，获取所述永磁体的剩磁温度系数α1和矫顽力温度系数α2后计算温度t1下永磁体的剩磁和矫顽力；
所述电磁场分析通过电磁场软件maxwell中的rmxprt模块完成，在该模块中选用永磁无刷直流电机，设置预先确定得定转子拓扑结构及尺寸、永磁体相关参数，通过rmxprt求解即可得到空载气隙磁密b
δ0
，进一步计算空载气隙磁通φ
δ0
如下：φ
δ0
＝α
i
τl
a
b
δ0
(6)式中，α
i
为极弧系数；τ为极距；l
a
为所述电机电枢长度。4.根据权利要求1所述的考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，其特征在于，所述s3中，目标空载转速n0根据电机设计要求的机械特性曲线确定；每相串联匝数w
φ
计算如下：式中，u
n
为额定电压；p为极对数；n0为空载转速；k
y
为绕组短距系数；k
p
为绕组分布系数；δu为开关管导通压降；每相电阻r
φ
计算如下：式中，t
cp
为计算转矩；e
l
为反电势；其中，t
cp
计算如下：式中，η
n
为电机预取额定效率；t
n
为额定转矩；e
l
计算如下：铜线截面积q
cu
选取如下：式中，
a为并联支路数；l
ar
为单匝线圈长度；ρ
20℃
为铜20℃的电阻率，取0.0185ω
·
mm2/m；α为铜电阻率温度系数，取0.0039。5.根据权利要求1所述的考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，其特征在于，所述s4中，电机的二维电磁场分析首先通过maxwell软件中的rmxprt模块建立，其中永磁体温度通过设置永磁体材料的剩磁和矫顽力反映，绕组温度通过设置仿真工作温度反映；最终由rmxprt求解模型创建maxwell2d求解模型，各损耗通过maxwell2d瞬态求解器求解。6.根据权利要求1所述的考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，其特征在于，所述s5中温度场三维模型首先通过spaceclaim进行预处理，再导入fluent进行网格剖分和求解，至少包括定转子、绕组、绝缘、永磁体、转子、轴和外壳；所述s5中温度场散热条件包括热传导、热对流；热传导包括：各部件间的热传导，其中绕组端部绝缘层通过设置薄壳传热模拟；热对流包括：机壳内部空气运动和壁面的对流，通过设置转子外围的旋转壁面模拟；机壳表面的对流，通过设置对流换热系数和环境温度模拟；水冷或风冷的强制对流，通过设置相应进出口边界条件模拟。7.根据权利要求1所述的考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，其特征在于，所述s5中，额定工况下的定转子铁芯损耗、永磁体涡流损耗由maxwell2d电磁场模型耦合导入到fluent三维温度场模型，耦合平台为ansysworkbench，绕组的铜耗分为有效边和端部分别计算并手动输入软件，三者作为所述三维模型的热源；其中，绕组有效边铜耗计算如下：式中，strandedloss为绕组铜耗；p1为绕组有效边铜耗；t
avg1
为绕组有效边平均温度，由fluent计算；t2′
由fluent计算；l
e
为单匝线圈单侧端部长度；绕组端部铜耗计算如下：式中，p2为绕组端部铜耗；t
avg2
为绕组平均温度，由fluent计算。8.根据权利要求1所述的考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，其特征在于，所述s6中参数化模型通过rmxprt建立。

技术总结
本发明公开了一种考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，包括：计算驱动电机的额定功率等参数，预先确定电机各部分结构尺寸和绕组类型；在永磁体经验温度下开展磁路计算确定空载气隙磁密；在绕组经验温度下开展电路计算确定相电阻和绕组截面积；计算电机额定工况损耗；开展二维电磁场和三维温度场磁热耦合，获取永磁体和绕组平均温度；在永磁体平均温度下调整永磁体厚度使空载气隙磁密不变；在绕组平均温度下调整绕组截面积使相电阻不变，完成设计；本发明提供的考虑磁热耦合的磁悬浮离心血泵电机设计方法，仅通过一次单向磁热耦合即可得到较高精度温度分布，设计电机在该温度下仍能保持目标机械特性，比传统设计方法性能更优。能更优。能更优。


技术研发人员：郑书坤 王芳群 蒋鹏程 王嘉毅 张政撼
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/21