一种基于数据库的开关磁阻电机优化设计方法技术

本发明专利技术提出一种基于数据库的开关磁阻电机优化设计方法，首先明确所需电机性能要求，进而设定电机基本结构参数以计算电机磁特性和磁共能转矩建立数据库。通过本发明专利技术提出的MCLC法确定磁特性动态波形，应用Steinmetz模型计算铁耗。随后搭建考虑铁耗的集总参数热网络LPTN，对电机尺寸和损耗进行校准，进一步优化电机尺寸，并根据特定的优化目标比较得到最终设计方案并进行可视化输出。所述设计方法考虑了铁耗和热效应，能在短时间内处理大量数据且不依赖经验参数，能够有效提高电机设计阶段的工作效率。的工作效率。的工作效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数据库的开关磁阻电机优化设计方法


[0001]本专利技术涉及电机
，尤其涉及一种基于数据库的开关磁阻电机设计方法。

技术介绍

[0002]开关磁阻电机结构简单，成本低廉，可靠性高，调速性能好被学术界和工业界广泛关注。但是在电机设计阶段往往依赖于经验参数的选择与调试，费时费力。因此寻求一种简便、快捷、使用较少经验参数的设计方法显得极为重要。
[0003]使用迭代算法对参数进行优化的传统电机设计方法存在明显的缺陷，如难以考虑铁耗、过分依赖经验参数、迭代步骤繁琐、难以实现不同结构的电机比较等。在常规开关磁阻电机设计中，往往需要使用较多的经验参数进行初步选型，这使得电机设计过程变得复杂。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术存在的问题，本专利技术提出一种基于数据库的开关磁阻电机优化设计方法，在考虑铁耗和热效应的同时实现短时间内处理大量数据且不依赖经验参数，从而在尽可能减少经验参数使用，减少过多优化迭代的情况下，让电机设计人员能够快速设计出具有高效率、高转矩密度等特点的开关磁阻电机，使电机设计过程变得更为快速、全面、高效。
[0005]本专利技术的技术方案为：
[0006]所述一种基于数据库的开关磁阻电机优化设计方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：确定待设计的目标电机的性能参数和材料，所述性能参数包括电机的目标额定功率P
n
、额定转速n、直流电源电压U
dc
；
[0008]设定气隙g、转子叠层长度L
stk
、电机的目标额定转矩T
design
以及电机结构参数的初始值，并设定定子槽
‑
极距横截面积比STPR的范围以及转子直径D的范围；所述电机结构参数包括定子相数、转子相数以及极对数p；
[0009]步骤2：根据步骤1中确定的目标电机的性能参数和材料，使用电机广义单相模型分析电机磁特性，对步骤1设定的气隙g和电机结构参数进行调整，并确定转子直径D以及面积比STPR；建立包含气隙g，电机结构参数、转子直径D、面积比STPR、磁特性的开关磁阻电机数据库；所述磁特性由电机磁通Φ(Θ,θ)和转矩T(Θ,θ)来表示，其中Θ表示磁动势，θ表示转子位置；
[0010]步骤3：基于步骤2得到的开关磁阻电机数据库，通过最大磁共能环控制法确定电机定子极磁通Φ和磁动势Θ的动态波形；
[0011]步骤4：根据步骤3得到的Θ和Ф动态波形，计算电机铁耗P
iron
；
[0012]步骤5：根据电机定子尺寸计算电机定子部分等效热阻，并搭建考虑步骤4得到的电机铁耗P
iron
的集总参数热网络LPTN；
[0013]步骤6：根据目标额定功率P
n
、步骤4得到的铁耗P
iron
以及步骤5中LPTN网络中的铜
耗P
cu
对步骤1中设定的叠层长度L
stk
、目标额定转矩T
design
进行矫正，得到矫正后的转矩、叠层长度和铁耗以及铜耗；
[0014]步骤7：利用步骤6得到的矫正结果返回步骤2，根据设定的优化目标对步骤2建立的电机数据库中的电机设计方案进行迭代，当达到设定优化目标时结束迭代，得到最终设计方案。
[0015]进一步的，步骤2中，通过电机广义单相模型确定磁路，得到定转子对齐位置和非对齐位置的磁链特性曲线，根据磁链特性曲线计算电机磁特性得到电机输出转矩T
n
，进而确定当前最佳气隙。
[0016]进一步的，所述定转子对齐位置和非对齐位置的磁链特性曲线包括定转子对齐位置和非对齐位置的归一化磁密曲线B
n
‑
Θ和B
un
‑
Θ，以及归一化磁通曲线Ф
n
‑
Θ和Ф
un
‑
Θ，其中B
n
和Ф
n
为对齐位置的归一化磁密和磁通，B
un
和Ф
un
为非对齐位置的归一化磁密和磁通。
[0017]进一步的，对齐位置的归一化磁密曲线B
n
‑
Θ和磁通曲线Ф
n
‑
Θ根据公式确定：
[0018][0019]其中，μ
iron
(B
n
)为铁磁导率μ
iron
关于磁密B
n
的函数，μ0为气隙磁导率，l
s
为等效磁路长度，A
rg
为转子气隙截面积；
[0020]非对齐位置的气隙g
un
＝k
un
·
g，k
un
为非对齐位置气隙系数，根据公式
[0021][0022]确定非对齐位置的归一化磁密曲线B
un
‑
Θ和磁通曲线Ф
un
‑
Θ。
[0023]进一步的，步骤2中，输出转矩T
n
表达式为：
[0024][0025]其中，磁共能W
co
由Ф
n
‑
Θ和Ф
un
‑
Θ曲线中从零点到磁动势峰值Θ
peak
处的积分表示：
[0026]W
co
＝∫(Ψ
n
‑
Ψ
un
)dΘ
[0027]继而得到每个Θ运行点处最大输出转矩的T
n
‑
Θ曲线，其中，先排除曲线下降段中使T
n
达到最大值时，Θ已超过最大允许电流密度的T
n
‑
Θ曲线，然后在剩下的曲线中选择下降段T
n
最大的曲线对应的气隙确定为当前最佳气隙。
[0028]进一步的，步骤2中，分析不同定子相数N
s
下的T
n
‑
Θ曲线，首先排除曲线下降段中使T
n
达到最大值时Θ已超过最大允许电流密度的T
n
‑
Θ曲线，在剩下的曲线中选择下降段T
n
最大的曲线对应的N
s
，根据N
s
＝2p
·
N
ph
确定p，其中N
ph
为设定的定转子相数，再根据N
r
＝2p
·
(N
ph
‑
1)确定转子相数N
r
。
[0029]进一步的，步骤2中，面积比STPR根据公式
[0030][0031]确定，其中A
pitch
为定子极距截面积，A
pole
为定子极截面积：
[0032][0033][0034]R1为定子半径，R2为定子槽半径，β
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数据库的开关磁阻电机优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：确定待设计的目标电机的性能参数和材料，所述性能参数包括电机的目标额定功率P
n
、额定转速n、直流电源电压U
dc
；设定气隙g、转子叠层长度L
stk
、电机的目标额定转矩T
design
以及电机结构参数的初始值，并设定定子槽
‑
极距横截面积比STPR的范围以及转子直径D的范围；所述电机结构参数包括定子相数、转子相数以及极对数p；步骤2：根据步骤1中确定的目标电机的性能参数和材料，使用电机广义单相模型分析电机磁特性，对步骤1设定的气隙g和电机结构参数进行调整，并确定转子直径D以及面积比STPR；建立包含气隙g，电机结构参数、转子直径D、面积比STPR、磁特性的开关磁阻电机数据库；所述磁特性由电机磁通Φ(Θ,θ)和转矩T(Θ,θ)来表示，其中Θ表示磁动势，θ表示转子位置；步骤3：基于步骤2得到的开关磁阻电机数据库，通过最大磁共能环控制法确定电机定子极磁通Φ和磁动势Θ的动态波形；步骤4：根据步骤3得到的Θ和Ф动态波形，计算电机铁耗P
iron
；步骤5：根据电机定子尺寸计算电机定子部分等效热阻，并搭建考虑步骤4得到的电机铁耗P
iron
的集总参数热网络LPTN；步骤6：根据目标额定功率P
n
、步骤4得到的铁耗P
iron
以及步骤5中LPTN网络中的铜耗P
cu
对步骤1中设定的叠层长度L
stk
、目标额定转矩T
design
进行矫正，得到矫正后的转矩、叠层长度和铁耗以及铜耗；步骤7：利用步骤6得到的矫正结果返回步骤2，根据设定的优化目标对步骤2建立的电机数据库中的电机设计方案进行迭代，当达到设定优化目标时结束迭代，得到最终设计方案。2.根据权利要求1所述一种基于数据库的开关磁阻电机优化设计方法，其特征在于：步骤2中，通过电机广义单相模型确定磁路，得到定转子对齐位置和非对齐位置的磁链特性曲线，根据磁链特性曲线计算电机磁特性得到电机输出转矩T
n
，进而确定当前最佳气隙。3.根据权利要求2所述一种基于数据库的开关磁阻电机优化设计方法，其特征在于：所述定转子对齐位置和非对齐位置的磁链特性曲线包括定转子对齐位置和非对齐位置的归一化磁密曲线B
n
‑
Θ和B
un
‑
Θ，以及归一化磁通曲线Ф
n
‑
Θ和Ф
un
‑
Θ，其中B
n
和Ф
n
为对齐位置的归一化磁密和磁通，B
un
和Ф
un
为非对齐位置的归一化磁密和磁通。4.根据权利要求3所述一种基于数据库的开关磁阻电机优化设计方法，其特征在于：对齐位置的归一化磁密曲线B
n
‑
Θ和磁通曲线Ф
n
‑
Θ根据公式确定：其中，μ
iron
(B
n
)为铁磁导率μ
iron
关于磁密B
n
的函数，μ0为气隙磁导率，l
s
为等效磁路长度，A
rg
为转子气隙截面积；非对齐位置的气隙g
un
＝k
un
·
g，k
un
为非对齐位置气隙系数，根据公式
确定非对齐位置的归一化磁密曲线B
un
‑
Θ和磁通曲线Ф
un
‑
Θ。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛乐飞，张嘉昕，孙艺昕，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：