一种定转子双永磁容错电机的磁场建模与分析方法技术

本发明专利技术公开一种定转子双永磁容错电机的磁场建模与分析方法

【技术实现步骤摘要】
一种定转子双永磁容错电机的磁场建模与分析方法


[0001]本专利技术涉及一种定转子双永磁容错电机的磁场建模与分析方法，属于电机建模与电磁场计算领域
。

技术介绍

[0002]定转子双永磁容错电机相比于传统的单永磁容错电机具有更高的功率因数和转矩密度，在电动汽车
、
船舶推进和航空航天等领域得到广泛关注
。
然而电机具有定转子双侧永磁体
、
励磁源多，双侧凸极结构的特点，混合定子中非均布调制极和凸极转子中均布调制极的磁场调制作用使得气隙磁场变化复杂，因此电机的磁场建模和性能准确分析难度大
。
目前，有限元法因其便捷性
、
通用性和准确性可应用于定转子双永磁容错电机磁场建模与性能分析，然而由于其精细的网格剖分会导致求解过程十分耗时，与之对应的是等效磁网络法虽然计算速度快，但建模过程复杂耗时，影响电机开发时间周期
。
另一方面，有限元和等效磁网络法虽能计算电机性能，但不能从原理上解释和分析电机的性能变化原理，不利于电机的设计与分析
。
为了解决以上问题，需要从定转子双永磁容错电机特殊结构和运行机理出发，研究具有高计算精度且能够指导电机设计的磁场建模与分析方法
。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提出一种定转子双永磁容错电机的磁场建模与分析方法，主要包括定转子调制极作用下永磁磁动势和单相电枢磁动势的建模
。
其次，利用建模后得到的磁动势准确计算出永磁磁链<br/>、
相自感
、
短路电流
、
功率因数和转矩等电磁性能
。
[0004]具体地说，本专利技术采用的技术方案是：一种定转子双永磁容错电机的磁场建模与分析方法，包括以下步骤：
[0005]步骤1，根据该电机的定转子双永磁励磁结构，分别对定子侧
、
转子侧和定转子双侧的永磁体进行磁动势建模；
[0006]步骤2，考虑混合定子中容错齿和分裂齿所形成的调制极在气隙圆周上不均布排列，凸极转子所形成的调制极在气隙圆周上均布排列，分别建立定转子的调制函数模型；考虑混合定子非均布调制极和凸极转子均布调制极对气隙磁场的调制作用，建立定转子调制作用下的永磁磁场谐波表达式；
[0007]步骤3，根据绕组函数理论，得到由定子侧
、
转子侧和定转子双侧永磁磁场分别产生的磁链；接着推导定子侧
、
转子侧和定转子双侧永磁磁场所产生的电磁转矩表达式；
[0008]步骤4，考虑混合定子非均布调制极和凸极转子均布调制极对气隙的磁场调制作用，通过向任意相绕组通入直流电建立经定转子磁场调制作用下单相电枢磁场谐波表达式；根据定转子调制极作用下单相电枢磁动势和通电相的绕组函数得到气隙磁链，再除以直流电得到气隙电感；同时，根据定转子调制极作用下单相电枢磁动势和非通电相的绕组函数得到不同相绕组之间的磁链，再除以直流电得到互感；
[0009]步骤5，根据电机混合定子结构的槽型，分裂齿和容错齿顶间的磁通路径和单层集
中绕组端部磁通路径，分别推导出槽漏磁导系数
、
齿顶漏磁导系数和端部漏磁导系数的表达式；通过对气隙电感
、
槽漏电感
、
齿顶漏电感和端部漏电感求和得到电机的相自感表达式；根据永磁磁链和相自感，得到功率因数和短路电流的表达式；
[0010]进一步，所述定转子双永磁容错电机为
12
槽，6定子永磁体极和
13
转子永磁体极，绕组为三相，电机包含混合定子
、
气隙和凸极转子三部分；混合定子由容错齿和分裂齿交替排布形成，其中容错齿包含1个调制极，分裂齿包含2个调制极，这些调制极起到磁场调制作用；分裂齿的调制极之间的凹槽中嵌入定子永磁体，凸极转子的凹槽中嵌入转子永磁体，均采用交替极结构；定子绕组采用单层集中绕组结构，线圈绕制在分裂齿上，容错齿起相间隔离的作用；气隙位于定转子之间，厚度为
0.7mm。
[0011]进一步，所述步骤1中，定转子双侧永磁磁动势
F
pm
(
θ
,t)
的表达式为：
[0012]F
pm
(
θ
,t)
＝
F
spm
(
θ
)+F
rpm
(
θ
,t)
[0013]式中，
θ
为电机气隙圆周位置，
t
为电机旋转时间，
F
spm
(
θ
)
为定子侧永磁磁动势，
F
rpm
(
θ
,t)
为转子侧永磁磁动势
。
定子侧永磁磁动势
F
spm
(
θ
)
是静止的而转子侧永磁磁动势
F
rpm
(
θ
,t)
是动态的，相应的表达式可分别用傅里叶级数表示为：
[0014][0015]式中，
F
spm,i
是定子侧永磁磁动势
i
次谐波幅值，
F
rpm,j
是转子侧永磁磁动势
j
次谐波幅值，
P
s
是定子侧永磁体极数，
P
r
是转子侧永磁体极数，
Ω
r
是角速度，
θ
为电机气隙圆周位置，
t
为电机旋转时间
。
[0016]进一步，所述步骤2中，由分裂齿和容错齿组成的混合定子的调制函数
M
s
(
θ
)
是静止的，而凸极转子的调制函数
M
r
(
θ
,t)
是动态的，相应的表达式可表示为：
[0017][0018]式中，
M
s,0
和是定子调制函数的傅里叶系数，
M
r,0
和是转子调制函数的傅里叶系数，
P
s
是定子侧永磁体极数，
P
r
是转子侧永磁体极数，
Ω
r
是角速度，
θ
为电机气隙圆周位置，
t
为电机旋转时间，调制后的永磁磁动势
F
pm_sr
(
θ
,t)
可表示为：
[0019][0020]式中，
F
spm_sr
(
θ
,t)
是调制后的定子侧永磁磁动势，
F
rpm_sr
(
θ
,t)
是调制后的转子侧永磁磁动势，和是调制后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种定转子双永磁容错电机的磁场建模与分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据该电机的定转子双永磁励磁结构，分别对定子侧
、
转子侧和定转子双侧的永磁体进行磁动势建模；步骤2：考虑混合定子中容错齿和分裂齿所形成的调制极在气隙圆周上不均布排列，凸极转子所形成的调制极在气隙圆周上均布排列，分别建立定转子的调制函数模型；考虑混合定子非均布调制极和凸极转子均布调制极对气隙磁场的调制作用，建立定转子调制作用下的永磁磁场谐波表达式；步骤3：根据绕组函数理论，得到由定子侧
、
转子侧和定转子双侧永磁磁场分别产生的磁链；接着推导定子侧
、
转子侧和定转子双侧永磁磁场所产生的电磁转矩表达式；步骤4：考虑混合定子非均布调制极和凸极转子均布调制极对气隙的磁场调制作用，通过向任意相绕组通入直流电建立经定转子磁场调制作用下单相电枢磁场谐波表达式；根据定转子调制极作用下单相电枢磁动势和通电相的绕组函数得到气隙磁链，再除以直流电得到气隙电感；同时，根据定转子调制极作用下单相电枢磁动势和非通电相的绕组函数得到不同相绕组之间的磁链，再除以直流电得到互感；步骤5：根据电机混合定子结构的槽型，分裂齿和容错齿顶间的磁通路径和单层集中绕组端部磁通路径，分别推导出槽漏磁导系数
、
齿顶漏磁导系数和端部漏磁导系数的表达式；通过对气隙电感
、
槽漏电感
、
齿顶漏电感和端部漏电感求和得到电机的相自感表达式；根据永磁磁链和相自感，得到功率因数和短路电流的表达式
。2.
根据权利要求1所述一种定转子双永磁容错电机的磁场建模与分析方法，其特征在于，所选用的定转子双永磁容错电机为
12
槽，6定子永磁体极和
13
转子永磁体极，绕组为三相，电机包含混合定子
、
气隙和凸极转子三部分；混合定子由容错齿和分裂齿交替排布形成，其中容错齿包含1个调制极，分裂齿包含2个调制极，这些调制极起到磁场调制作用；分裂齿的调制极之间的凹槽中嵌入定子永磁体，凸极转子的凹槽中嵌入转子永磁体，均采用交替极结构；定子绕组采用单层集中绕组结构，线圈绕制在分裂齿上，容错齿起相间隔离的作用；气隙位于定转子之间，厚度为
0.7mm。3.
根据权利要求1所述一种定转子双永磁容错电机的磁场建模与分析方法，其特征在于，所述步骤1中双侧永磁磁动势
F
pm
(
θ
,t)
的表达式为：
F
pm
(
θ
,t)
＝
F
spm
(
θ
)+F
rpm
(
θ
,t)
式中，
θ
为电机气隙圆周位置，
t
为电机旋转时间，
F
spm
(
θ
)
为定子侧永磁磁动势，
F
rpm
(
θ
,t)
为转子侧永磁磁动势，定子侧永磁磁动势
F
spm
(
θ
)
是静止的而转子侧永磁磁动势
F
rpm
(
θ
,t)
是动态的，相应的表达式可分别用傅里叶级数表示为：式中，
F
spm,i
是定子侧永磁磁动势
i
次谐波幅值，
F
rpm,j
是转子侧永磁磁动势
j
次谐波幅值，
P
s
是定子侧永磁体极数，
P
r
是转子侧永磁体极数，
Ω
r
是角速度，
θ
为电机气隙圆周位置，
t
为电机旋转时间
。4.
根据权利要求1所述一种定转子双永磁容错电机的磁场建模与分析方法，其特征在
于，所述步骤2中由分裂齿和容错齿组成的混合定子的调制函数
M
s
(
θ
)
是静止的，而凸极转子的调制函数
M
r
(
θ
,t)
是动态的，相应的表达式可表示为：式中，
M
s,0
和
M
s,k1
是定子调制函数的傅里叶系数，
M
r,0
和
M
r,k2
是转子调制函数的傅里叶系数，
P
s
是定子侧永磁体极数，
P
r
是转子侧永磁体极数，
Ω
r
是角速度，
θ
为电机气隙圆周位置，
t
为电机旋转时间，调制后的永磁磁动势
F
pm_sr
(
θ
,t)
可表示为：式中，
F
spm_sr
(
θ
,t)
是调制后的定子侧永磁磁动势，
F
rpm_sr
(
θ
,t)
是调制后的转子侧永磁磁动势，和是调制后定子侧永磁磁动势的谐波幅值，是调制后定子侧永磁磁动势的谐波幅值，和是调制后转子侧永磁磁动势的谐波幅值，
P
s
是定子侧永磁体极数，
P
r
是转子侧永磁体极数，
Ω
r
是角速度，
θ
为电机气隙圆周位置，
t
为电机旋转时间
。5.
根据权利要求1所述一种定转子双永磁容错电机的磁场建模与分析方法，其特征在于，所述步骤3中的绕组函数
N
w
(
θ
)
可表示为：式中，
v
是绕组函数的傅里叶阶数，
N
w,v
是绕组函数的谐波分量，
P
w
是绕组函数的极对数，
θ
为电机气隙圆周位置，结合调制后的永磁磁动势和绕组函数，定转子双侧永磁所产生磁链
ψ
pm
(t)
可表示为：式中，
μ0是真空磁导率，
r
g
是气隙半径，
l
st
是轴向长度，
δ
是等效气隙长度，
F
pm_sr
(
θ
,t)
是
调制后的永磁磁动势，
F
spm_sr
(
θ
,t)
是调制后的定子侧永磁磁动势，
F
rpm_sr
(
θ
,t)
是调制后的转子侧永磁磁动势，
N
w
(
θ
)
是绕组函数，
ψ
spm
(t)
是定子侧永磁磁链，
ψ
rpm
(...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐亮，陈泽宇，蒋婷婷，赵文祥，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：