一种永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方法技术

本发明专利技术公开了一种永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方法。包括：对于目标永磁电机建立有限元模型仿真分析后，求解该负载情况下的齿槽转矩。然后使用冻结磁导率技术分别得出仅有永磁体与电枢电流单独作用的有限元模型，分别求解永磁转矩和磁阻转矩。至此，永磁电机的转矩被完全分离成永磁转矩﹑磁阻转矩和齿槽转矩。该方法通过MATLAB编写成程序控制开源有限元软件FEMM进行建模分析，可以灵活地进行后处理，一次性高效完成转矩分离。该方法通过对于瞬时转矩的完全分离，可以分析永磁转矩，磁阻转矩和齿槽转矩在不同的负载条件下对于转矩脉动的影响。脉动的影响。脉动的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方法


[0001]本专利技术提出的一种永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方法，属于永磁电机的


技术介绍

[0002]现如今永磁电机因为其高功率密度，高转矩密度的优点，被广泛应用于电动汽车，航空航天等领域里。转矩是反映永磁电机带载性能的重要参数，高平均转矩和低转矩脉动是永磁电机转矩性能理想的设计目标。从提供转矩的来源上看，永磁电机的转矩由永磁转矩，磁阻转矩和齿槽转矩构成。准确分离永磁电机的瞬时转矩的组成部分有利于永磁电机的转矩性能评估和优化方案探究。现在鲜有可以一次性高效准确分离电机瞬时转矩的方法或插件。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是，在考虑永磁电机饱和与交叉耦合效应的基础上，提出了一种永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方法。
[0004]本专利技术技术方案为：一种永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方法，包括以下步骤，
[0005]步骤1，对于目标电机建立有限元模型并初始化；
[0006]步骤2，给电机绕组设置负载电流，求解电机负载下的有限元模型，并使用虚位移法求解齿槽转矩；
[0007]步骤3，根据步骤2求解出来的负载有限元模型使用冻结磁导率技术，在保留步骤2中所有铁质材料的磁导率后，通过将电机的负载电流设置为0，求解此时的有限元模型，得出永磁转矩；
[0008]步骤4，保留步骤2中的所有的铁质材料的磁导率后，将电机的永磁体的剩磁密度设置为0，分别求解只有交轴电流或直轴电流作用后的模型，可以得出永磁电机交直轴的自感和互感，然后再求解与步骤2相同的负载电流作用的模型，得出考虑交叉互感效应的磁阻转矩；
[0009]步骤5，结合步骤2
‑
4中得到的永磁转矩，磁阻转矩和齿槽转矩，可以分析得出三者的瞬时波形的叠加就是负载转矩的瞬时波形，同时改变负载的电流，通过分析永磁转矩，磁阻转矩和齿槽转矩的瞬时波形，可以分析它们对于瞬时转矩脉动的影响。
[0010]进一步，步骤1中的有限元模型的建立是基于开源有限元软件FEMM结合MATLAB软件编程实现的，初始化内容包括电机的转速，仿真步长等相关仿真参数。
[0011]进一步，所述步骤2中的设置负载电流通过MATLAB设立n相电流的表达式完成对电机一个电周期的仿真，完成有限元分析后，计算出整个电机所有有限元单元的磁场储能，其计算表达式为：
[0012][0013]其中W
m
是整个电机的磁场储能，即所有N个有限元单元的磁场储能之和，B
i
是第i个有限元单元的磁感应强度，V
i
是第i个有限元单元的体积，μ0是真空磁导率，μ
r
是有限元单元与真空磁导率的相对磁导率。
[0014]进一步，所述步骤2中的齿槽转矩的求解公式为：
[0015][0016]齿槽转矩的求解是磁场储能关于旋转过的机械角度的负导数，其中T
cog
是求解的齿槽转矩，W
m
是电机的磁场储能，θ
m
是指电机旋转过的机械角度，W
m
(k)和W
m
(k
‑
1)分别是第k步仿真步和第k
‑
1步仿真步的整个电机磁场储能，n为电机一个电周期仿真的总步数。
[0017]进一步，所述步骤3中的永磁转矩的求解公式为：
[0018][0019]其中T
pm
是求解电机的永磁转矩，m是求解电机的相数，p是求解电机的极对数，ψ
d(PM)
与ψ
q(PM)
分别是在只有永磁体作用时求解使用冻结磁导率后的有限元模型的d轴和q轴的磁链，i
d
和i
q
分别是求解电机d轴和q轴的电流，θe是电机旋转过的电角度。
[0020]进一步，所述的步骤4中，永磁电机交直轴的自感和互感的求解的方法是根据以下方程组求解：
[0021][0022]其中ψ
d(I)
与ψ
q(I)
分别是在只有电枢电流单独作用时求解使用冻结磁导率后的有限元模型的d轴和q轴的磁链，L
dd
，L
qq
分别是d轴自感和q轴自感，L
dq
，L
qd
是d轴和q轴的互感，通过依次将交直轴电流id和iq设为0，再用clarke
‑
parker反变换得到电流带入有限元仿真得出磁链ψ
d(I)
与ψ
q(I)
，带入上述方程组后得出自感和互感。
[0023]进一步，所述的4的磁阻转矩求解公式为：
[0024][0025]其中T
r
是求解电机的磁阻转矩，L
dd
，L
qq
分别是d轴自感和q轴自感，L
dq
，L
qd
是d轴和q轴的互感，ψ
d(I)
与ψ
q(I)
分别是在只有与步骤2相同的电枢电流单独作用时求解使用冻结磁导率后的有限元模型的d轴和q轴的磁链。
[0026]进一步，所述的步骤2
‑
4中，永磁转矩，磁阻转矩和齿槽转矩的合成转矩与仿真出来的负载转矩完全重合。
[0027]进一步，所述步骤5中，改变负载电流幅值可以得出不同负载情况下的永磁电机的永磁转矩，磁阻转矩和齿槽转矩波形之间的幅值相角关系，可以得出齿槽转矩的相位与永磁转矩和磁阻转矩合成的电磁转矩始终相反，有抵消转矩脉动的作用，随着负载电流的变大，负载转矩脉动会出现一段的下降，这是磁阻转矩的脉动逐渐超过永磁转矩的脉动造成的。
[0028]本专利技术采用的有益效果是：
[0029]在考虑饱和与交叉耦合的基础上，高效准确地将永磁电机的瞬时转矩分离成永磁
转矩，磁阻转矩和齿槽转矩。通过MATLAB脚本与开源有限元软件FEMM的联用，可以并行快速计算冻结磁导率后，不同励磁条件下的电磁场。同时，需要通过调用两个相邻仿真步的静态电磁场的参数的瞬态场参数计算，可以通过MATLAB脚本编程完成自动处理，进而完成一次性高效永磁电机的瞬时转矩分离。作为脚本，实现该方法的程序可以结合其他应用场合进行二次开发。
附图说明
[0030]图1为本专利技术中的永磁电机准确瞬时转矩分离方法的实现流程图。
[0031]图2为本专利技术中的选取的实施例永磁电机的有限元模型图。
[0032]图3为本专利技术中实施例电机的求解的交直轴电感图。
[0033]图4为本专利技术中实施例电机的分离的永磁转矩，磁阻转矩和齿槽转矩图。
[0034]图5为本专利技术中实施例电机的分离转矩合成和仿真转矩的验证比较图。
[0035]图6为本专利技术中实施例电机的不同负载状态下的平均转矩和转矩峰峰值图。
[0036]图7为本专利技术中实施例电机的分离转矩部分的转矩峰峰值比较图。
[0037]图8为本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤1，对于目标电机建立有限元模型并初始化；步骤2，给电机绕组设置负载电流，求解电机负载下的有限元模型，并使用虚位移法求解齿槽转矩；步骤3，根据步骤2求解出来的负载有限元模型使用冻结磁导率技术，在保留步骤2中所有铁质材料的磁导率后，通过将电机的负载电流设置为0，求解此时的有限元模型，得出永磁转矩；步骤4，保留步骤2中的所有的铁质材料的磁导率后，将电机的永磁体的剩磁密度设置为0，分别求解只有交轴电流或直轴电流作用后的模型，可以得出永磁电机交直轴的自感和互感，然后再求解与步骤2相同的负载电流作用的模型，得出考虑交叉互感效应的磁阻转矩；步骤5，结合步骤2
‑
4中得到的永磁转矩，磁阻转矩和齿槽转矩，可以分析得出三者的瞬时波形的叠加就是负载转矩的瞬时波形，同时改变负载的电流，通过分析永磁转矩，磁阻转矩和齿槽转矩的瞬时波形，可以分析它们对于瞬时转矩脉动的影响。2.根据权利要求1所述的一种永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方法，其特征在于，步骤1中的有限元模型的建立是基于开源有限元软件FEMM结合MATLAB软件编程实现的，初始化内容包括电机的转速，仿真步长等相关仿真参数。3.根据权利要求1所述的一种永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方法，其特征在于，所述步骤2中的设置负载电流通过MATLAB设立n相电流的表达式完成对电机一个电周期的仿真，完成有限元分析后，计算出整个电机所有有限元单元的磁场储能，其计算表达式为：其中W
m
是整个电机的磁场储能，即所有N个有限元单元的磁场储能之和，B
i
是第i个有限元单元的磁感应强度，V
i
是第i个有限元单元的体积，μ0是真空磁导率，μ
r
是有限元单元与真空磁导率的相对磁导率。4.根据权利要求1所述的一种永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方法，其特征在于，所述步骤2中的齿槽转矩的求解公式为：齿槽转矩的求解是磁场储能关于旋转过的机械角度的负导数，其中T
cog
是求解的齿槽转矩，W
m
是电机的磁场储能，θ
m
是指电机旋转过的机械角度，W
m
(k)和W
m
(k
‑
1)分别是第k步仿真步和第k
‑
1步仿真步的整个电机磁场储能，n为电机一个电周期仿真的总步数。5.根据权利要求1所述的一种永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方法，其特征在于：所述步骤3中的永磁转矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国海，柯昊，刘正蒙，陈前，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：