一种新型五相表嵌式永磁同步电机的转矩解析方法技术

本发明专利技术公开了一种新型五相表嵌式永磁同步电机的转矩解析方法，包括永磁转矩的解析：考虑定子槽效应、定子齿饱和效应、定子绕组连接和磁极偏移的影响，推导出定子磁动势和转子磁动势的解析表达式，再使用洛伦兹力定律解析出永磁转矩；包括磁阻转矩的解析：考虑磁极偏移和辅助磁障的影响，利用绕组函数理论推导出气隙函数和电感的解析表达式，再通过对磁场能量的微分解析出磁阻转矩；包括电磁转矩的解析：将电磁转矩和磁阻转矩进行叠加；包括将解析结果与有限元结果对比，验证模型的准确性。本发明专利技术首次针对具有磁极偏移和辅助磁障的五相表嵌式永磁同步电机的转矩进行解析，所提方案可为该类型电机的解析研究提供参考。

Torque analysis method for a new five phase permanent magnet synchronous motor

The invention discloses a torque analysis method for a new type of five phase imbedded permanent magnet synchronous motor, including the analysis of permanent magnetic torque. Considering the influence of stator slot effect, stator tooth saturation effect, stator winding connection and magnetic pole shift, the analytical expression of stator magnetic potential and rotor magnetic potential is derived, and then Lorenz force determination is used. The law parses the permanent magnetic torque, including the analysis of the magnetoresistance torque: considering the influence of the magnetic pole shift and the auxiliary magnetic barrier, the analytical expressions of the gas gap function and inductance are derived by the winding function theory, and the magnetoresistance torque is analyzed by the differential of the magnetic field energy, including the electromagnetic torque and the magnetoresistance torque. Row superposition, including comparing the analytical results with the finite element results, verifies the accuracy of the model. The invention is the first time to analyze the torque of five phase permanent magnet synchronous motor (PMSM) with magnetic pole shift and auxiliary magnetic barrier. The proposed scheme can provide reference for the analysis of this type of motor.

【技术实现步骤摘要】
一种新型五相表嵌式永磁同步电机的转矩解析方法
本专利技术涉及一种新型五相表嵌式永磁同步电机的转矩解析方法，属于电磁场计算领域。
技术介绍
表嵌式永磁同步电机以其高效率和高转矩密度的优势，广泛应用于工业驱动、车辆牵引和家用电器等领域。平滑的输出转矩是这些高性能运动控制系统的基本要求，因此获得高精度的转矩波形很有现实意义。有限元软件(AnsysMaxwell、Flux等)在转矩预测中得到了广泛的应用，但费时费力。考虑到电机转矩计算的效率，解析法具有明显的优势。目前常用的转矩解析方法主要有三种，包括绕组函数法、洛伦兹定律法和麦克斯韦应力张量法。绕组函数法是利用电机的相关参数计算出电感等参数，再进一步获得电机转矩，该法主要用于磁阻电机的电磁转矩解析，但并不适用于永磁电机，因为未考虑到电枢反应磁场和永磁磁场相互作用所产生的永磁转矩。洛伦兹力定律法是通过对电机气隙处洛伦兹力密度的积分得到电磁转矩，该法可应用于多种类型电机转矩的定性分析，但其通常被局限于定子未开槽的情况。麦克斯韦应力张量法是通过对电机径向和切向气隙磁密的乘积的积分得到电磁转矩，该法可以广泛运用于各种电机，但准确地获得径向和切向气隙磁密计算过程复杂，常需要通过有限元软件获得磁密，再进行后续计算，且该法并不能清晰地反映出转矩和电机参数之间的关系。
技术实现思路
本专利技术的目的是，为提高转矩计算效率，提出一种适用于具有磁极偏移和辅助磁障的五相表嵌式永磁同步电机的转矩解析方法，主要包括永磁转矩、磁阻转矩和电磁转矩的解析。定子开槽、定子齿部饱和效应和定子绕组连接等因素均予以考虑，以确保解析的准确性。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：将绕组函数法与洛伦兹力法相结合来进行转矩解析，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据绕组函数理论，计算出定子磁动势；步骤2，根据磁路模型，计算出转子磁动势；步骤3，根据洛伦兹力定律，计算出永磁转矩；步骤4，考虑磁极偏移和辅助磁障对永磁转矩的影响；步骤5，根据绕组函数理论，计算出电感；步骤6，利用能量法，计算出磁阻转矩的解析表达式；步骤7，考虑磁极偏移和辅助磁障对磁阻转矩的影响；步骤8，计算出考虑磁极偏移和辅助磁障的电磁转矩。进一步，所述步骤1中，根据绕组函数理论，考虑定子绕组连接方式和加载电流，定子磁动势的计算公式可表示为：其中Fsh＝kh±1NhIm为定子磁动势的h次谐波幅值，Nh表示定子绕组的h次谐波幅值，Im为电流幅值，kh-1和kh+1是定子磁动势系数，θ是定子坐标系中相对a相的角度，ωt为瞬时转子位置，从d轴测得电流角。进一步，所述步骤2中，转子磁动势的计算方法为：步骤2.1，根据定子未开槽时的磁力线路径，建立磁路模型，计算出无槽气隙磁密的峰值，再根据其分布特点得到无槽气隙磁密波形Bg,slotless；步骤2.2，根据磁力线在定子开槽区域的磁力线路径，确定电机的相对气隙磁导函数：其中g为气隙长度，g1(θ)为关于定子槽的函数；步骤2.3，根据开槽气隙磁密的计算公式：Bg,slot＝Bg,slotless·Λslot，得到开槽气隙磁密波形及其谐波幅值。步骤2.4，计算出转子磁动势：其中为转子磁动势的h次谐波幅值，Bg,slot,h为开槽气隙磁密，μ0为真空磁导率。进一步，所述步骤3中，根据洛伦兹力定律，永磁转矩可表示为：其中Bg为气隙磁密；利用三角函数公式及步骤1和2中得到的定、转子磁动势，推导出永磁转矩的平均转矩的表达式为：转矩脉动的表达式为：其中p为极对数，rg为气隙半径，L为电机有效长度。进一步，所述步骤4中，电机中空载气隙磁密的分布取决于永磁体的位置，当进行磁极偏移后，气隙磁密的分布会发生变化，则转子磁动势的谐波幅值会改变，进而会影响永磁转矩，因此需根据磁极偏移的角度，确定偏移后的气隙磁密及转子磁动势，再根据步骤3所推导的永磁转矩公式，获得偏移后的永磁转矩；辅助磁障对永磁转矩无影响。进一步，所述步骤5中，电感的计算方法为：步骤5.1，根据电机的具体参数，计算出电机的气隙函数：其中g2(θ-γ)为关于转子槽的函数，γ相对绕组参考系的转子位置；步骤5.2，根据绕组函数理论，计算出电感：其中X和Y为五相中的任意一相，NX(θ)和NY(θ)为该相的绕组函数。进一步，所述步骤6中，在解析和仿真磁阻转矩时均不考虑永磁体的影响，即将永磁体视为空气；根据能量法，磁阻转矩的计算公式为：Trel＝p·Trel1，其中为某一对磁极所产生的磁阻转矩，Is(γ)和Ls(γ)分别为电流矩阵和电感矩阵。进一步，所述步骤7中，电机的总磁阻转矩是各对磁极所产生的磁阻转矩的总和；当磁极偏移后，转子开槽位置会发生变化，从而会依次影响到气隙函数、电感矩阵和磁阻转矩，因此需对偏移的磁极的气隙函数等参数重新计算，获得偏移后的磁阻转矩；当永磁体右侧增加辅助磁障后，转子开槽区域会增大，需对各对磁极的气隙函数等参数重新计算，获得加辅助磁障后的磁阻转矩。进一步，所述步骤8中，电磁转矩包括永磁转矩和磁阻转矩这两个转矩分量，可表示为：Te＝Tpm+Trel；分别将磁极未偏移、磁极偏移后、加辅助磁障后电机的转矩分量叠加，即可得到不同情况下电机的电磁转矩。有益效果1、本专利技术在解析过程中充分考虑了定子槽效应、转子槽效应和定子齿饱和效应等，提高了解析的精度。2、本专利技术提供了电机气隙磁密、定子磁动势、转子磁动势、电感等参数的解析表达式，可运用于后续研究及相关电机的研究。利用磁路模型计算无槽气隙磁密，同时考虑到定子开槽与齿部饱和效应等影响，得到开槽气隙磁密。3、本专利技术将绕组函数法与洛伦兹力法相结合，提出了一种适用于五相表嵌式电机的转矩解析方法，大大提高了转矩计算效率。将洛伦兹力定律与能量法相结合，分别计算永磁转矩和磁阻转矩，最后叠加获得电磁转矩；利用洛伦兹力定律计算了考虑齿槽效应的永磁转矩波形。其他文献则仅利用该法进行转矩定性分析，且局限于定子无槽的情况。4、本专利技术对转矩的解析完全基于电机拓扑结构，解析结果可以直接反映电磁参数对输出性能的影响，对后续转矩优化等提供了理论基础。5、本专利技术研究了磁极偏移和辅助磁障对转矩性能产生的影响，并分析其主要原因，为该优化方法的后续应用提供了基础。附图说明图1为本专利技术实施例具有磁极偏移和辅助磁障的五相表贴式永磁同步电机的拓补结构及其实现步骤；(a)为实施例电机的拓扑结构；(b)为未进行磁极偏移的转子结构；(c)为磁极第一次偏移后的转子结构；(d)为磁极第二次偏移后的转子结构；(e)为加辅助磁障后的转子结构；图2为本专利技术实施例定子无槽的电机结构及磁力线分布；图3为本专利技术实施例气隙磁密示意图；图4为本专利技术实施例磁路模型及其简化；(a)磁路模型；(b)为简化磁路模型；图5为本专利技术实施例定子槽尺寸标注及磁力线分布；图6为本专利技术实施例定子槽处相对气隙函数示意图；图7为本专利技术实施例永磁体及气隙磁密分布示意图；(a)为未进行磁极偏移时；(b)为两次磁极偏移后；图8为本专利技术实施例转子槽尺寸标注及磁力线分布；图9为本专利技术实施例气隙函数示意图；图10为永磁转矩；(a)为未进行磁极偏移时；(b)为两次磁极偏移后；图11为磁阻转矩；(a)为未经过磁极偏移时；(b)为两次磁极偏移后；(c)为加辅助磁障后；图12为电磁转矩；(a)为未经过磁极偏移时；(b)为两次磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型五相表嵌式永磁同步电机的转矩解析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据绕组函数理论，计算出定子磁动势；步骤2，根据磁路模型，计算出转子磁动势；步骤3，根据洛伦兹力定律，计算出永磁转矩；步骤4，考虑磁极偏移和辅助磁障对永磁转矩的影响；步骤5，根据绕组函数理论，计算出电感；步骤6，利用能量法，计算出磁阻转矩的解析表达式；步骤7，考虑磁极偏移和辅助磁障对磁阻转矩的影响；步骤8，计算出考虑磁极偏移和辅助磁障的电磁转矩。

【技术特征摘要】
1.一种新型五相表嵌式永磁同步电机的转矩解析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据绕组函数理论，计算出定子磁动势；步骤2，根据磁路模型，计算出转子磁动势；步骤3，根据洛伦兹力定律，计算出永磁转矩；步骤4，考虑磁极偏移和辅助磁障对永磁转矩的影响；步骤5，根据绕组函数理论，计算出电感；步骤6，利用能量法，计算出磁阻转矩的解析表达式；步骤7，考虑磁极偏移和辅助磁障对磁阻转矩的影响；步骤8，计算出考虑磁极偏移和辅助磁障的电磁转矩。2.根据权利要求1所述的一种新型五相表嵌式永磁同步电机的转矩解析方法，其特征在于，所述步骤1中，根据绕组函数理论，考虑定子绕组连接方式和加载电流，定子磁动势的计算公式可表示为：其中Fsh＝kh±1NhIm为定子磁动势的h次谐波幅值，Nh表示定子绕组的h次谐波幅值，Im为电流幅值，kh-1和kh+1是定子磁动势系数，θ是在定子坐标系中相对于a相的角度，ωt为瞬时转子位置，从d轴测得的电流角。3.根据权利要求1所述的一种新型五相表嵌式永磁同步电机的转矩解析方法，其特征在于，所述步骤2中，转子磁动势的计算方法为：步骤2.1，根据定子未开槽时的磁力线路径，建立磁路模型，计算出无槽气隙磁密的峰值，再根据磁密分布特点得到无槽气隙磁密波形Bg,slotless；步骤2.2，根据磁力线在定子开槽区域的磁力线路径，确定电机的相对气隙磁导函数：其中g为气隙长度，g1(θ)为关于定子槽的函数；步骤2.3，根据开槽气隙磁密的计算公式：Bg,slot＝Bg,slotless·Λslot，得到开槽气隙磁密波形及其谐波幅值；步骤2.4，计算出转子磁动势：其中为转子磁动势的h次谐波幅值，Bg,slot,h为开槽气隙磁密，μ0为真空磁导率。4.根据权利要求1所述的一种新型五相表嵌式永磁同步电机的转矩解析方法，其特征在于，所述步骤3中，根据洛伦兹力定律，永磁转矩可表示为：其中Bg为气隙磁密；利用三角函数公式及步骤1和2中得到的定、转子磁动势，推导出永磁转矩的平均转矩的表达式为：转矩脉动的表达式为：其中p为极对数，rg为气隙半...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘国海，刘露，陈前，赵文祥，吉敬华，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32