一种永磁电机周期定子的组合不稳定分析及预测方法技术

本发明专利技术公开了一种永磁电机周期定子的组合不稳定分析及预测方法，属于机械系统动力学领域，本发明专利技术具体涉及旋转永磁电机的周期定子的组合动力不稳定分析及预测技术，所述技术包括：借助磁场随动坐标系，并且采用能量方法建立所述周期定子的动力学模型；采用摄动和耦合分析技术设解，然后求解所述动力学模型，进而得到摄动形式的解析结果；最后根据基本参数的不同组合以及三角函数的运算性质得到表征组合动力不稳定的耦合系数，并据此预测不稳定特性。本发明专利技术所述技术可高效、准确地分析并预测永磁电机周期定子的组合不稳定特性。

【技术实现步骤摘要】
一种永磁电机周期定子的组合不稳定分析及预测方法
本专利技术涉及机械系统动力学领域，尤其涉及一种永磁电机周期定子的组合不稳定分析及预测方法。
技术介绍
永磁电机具有结构简单和调速范围大等特点，广泛应用于航天、航空、舰船、汽车以及工业生产的各种自动化装备(苏绍禹.永磁电动机机理、设计及应用.北京：机械工业出版社，2016)。受时变磁拉力作用，周期定子通常出现涉及多个模态的耦合振动，并且可导致组合不稳定问题。由于现有动力学分析技术的局限性，特别需要一种可针对实际工况的高效、准确的组合不稳定分析及预测技术。文献(T.Kobayashi,F.Tajima,M.Ito,S.Shibukawa.Effectsofslotcombinationonacousticnoisefrominductionmotors.IEEETransactionsonMagnetics,1997,33(2):2101～2104)计算了电磁力并开展了傅里叶分析。研究结果表明：当电磁力频率与电机的固有频率相同或相近时，将产生共振现象。文献(T.J.Kim,S.M.Hwang,N.G.Park.Analysisofvibrationforpermanentmagnetmotorsconsideringmechanicalandmagneticcouplingeffects,IEEETransactionsonMagnetics,2000,36(4):1346～1350)研究了旋转电机的电磁结构与机械结构的耦合问题，分析了振动及稳定性问题。应当指出的是，现有技术通常采用数值方法预测动力稳定性，该方法的计算效率较低，而且不能揭示普适规律。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对永磁电机的周期定子的磁致组合不稳定振动问题。在磁场随动坐标系下建立动力学模型，采用摄动方法提供一种适用于周期定子的组合不稳定分析及预测方法，使该方法以及所得解析结果更好地满足工程实际的需求，详见下文描述：一种永磁电机周期定子的组合不稳定分析及预测方法，所述方法包括：在磁场随动坐标系下建立动力学模型，求解环形定子本体的特征值；根据特征值、结合摄动法求解周期定子的耦合系数；根据三角函数的性质，判断振动波数与永磁体个数的组合关系对所述耦合系数的影响规律；根据所述耦合系数，判断周期定子的组合不稳定特性。其中，所述动力学模型具体为：式中，表示定子的切向变形量，ε为无量纲小量，t为时间，M为质量算子，G为陀螺算子，D为向心刚度算子，K、K(1)和K(2)分别表示环形定子本体弯曲及磁拉力刚度算子。进一步地，所述环形定子本体的特征值具体为：其中，Ωv为无量纲转速，n为振动波数，ku和kv分别为环形定子外侧设置均匀支撑的切向和径向刚度。进一步，所述采用摄动法求解周期定子的耦合系数具体为：式中，为周期定子的一阶摄动变形量，Cunm为耦合系数，m为振动波数，Aum、Aun为幅值，为转角，“～”表示共轭，Nm为扇形永磁体的个数，分别表示第i个扇形永磁体的两端与极轴的夹角，h为定子本体的径向厚度，μ0为真空磁导率，Φ为磁通量，d0为定转子气隙，R为中性圆半径，h0为扇形永磁体的长度，E为杨氏模量，I为环形定子的截面惯性矩。其中，所述根据三角函数的性质，判断振动波数与永磁体个数的组合关系对所述耦合系数的影响规律具体为：当参数满足(n+m)/Nm＝整数且(n-m)/Nm＝整数时，在后行波中，杂波对基波的耦合影响变化较大，在前行波中，杂波对基波的耦合影响变化较小；当参数满足(n+m)/Nm≠整数且(n-m)/Nm＝整数时，在前行波中，杂波对基波的耦合影响变化较大，在后行波中，杂波对基波没有耦合影响；当参数满足(n+m)/Nm＝整数且(n-m)/Nm≠整数时，在前、后行波中，杂波对基波的耦合影响变化均较大。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、本专利技术首先借助磁场随动坐标系建立动力学模型，然后通过求解环形定子本体的特征值，再根据摄动方法求出相应周期定子的耦合系数(耦合系数是杂波对基波的影响程度的度量)，最后根据耦合系数预测组合不稳定规律；2、本专利技术的预测结果表明，永磁电机的磁通量、转速、永磁体的个数及圆心角、气隙长度、径向和切向支撑刚度均影响周期定子的组合不稳定，因此，通过改变上述参数以减小耦合系数，可以提高系统的动力稳定性。3、与现有技术相比，本专利技术所述技术具有高效、准确和普适等特征，根据该技术可揭示关键参数与组合不稳定特性之间的映射关系，实现在设计阶段预估振型耦合状况，从而指导永磁电机的动力学设计，最终实现稳定、可靠运行的目的。附图说明图1为一种永磁电机周期定子的组合不稳定分析及预测方法的流程图；图2为本专利技术提供的永磁电机周期定子的示意图；图3为当参数满足(n+m)/Nm＝整数且(n-m)/Nm＝整数时，根据本专利技术提供的技术获得的耦合系数的实虚部随永磁体圆心角的变化规律的示意图；图4为当参数满足(n+m)/Nm≠整数且(n-m)/Nm＝整数时，根据本专利技术提供的技术获得的耦合系数的实虚部随永磁体圆心角的变化规律的示意图；图5为当参数满足(n+m)/Nm＝整数且(n-m)/Nm≠整数时，根据本专利技术提供的技术获得的耦合系数的实虚部随永磁体圆心角的变化规律的示意图；图6为当参数满足(n+m)/Nm＝整数且(n-m)/Nm＝整数时，根据本专利技术提供的技术获得的耦合系数实虚部随转速的变化规律的示意图；图7为当参数满足(n+m)/Nm≠整数且(n-m)/Nm＝整数时，根据本专利技术提供的技术获得的耦合系数实虚部随转速的变化规律的示意图；图8为当参数满足(n+m)/Nm＝整数且(n-m)/Nm≠整数时，根据本专利技术提供的技术获得的耦合系数实虚部随转速的变化规律的示意图；图9为当参数满足(n+m)/Nm＝整数且(n-m)/Nm＝整数时，根据本专利技术提供的技术获得的耦合系数实虚部随磁通量的变化规律的示意图；图10为当参数满足(n+m)/Nm≠整数且(n-m)/Nm＝整数时，根据本专利技术提供的技术获得的耦合系数实虚部随磁通量的变化规律的示意图；图11为当参数满足(n+m)/Nm＝整数且(n-m)/Nm≠整数时，根据本专利技术提供的技术获得的耦合系数实虚部随磁通量的变化规律的示意图；图12为当参数满足(n+m)/Nm＝整数且(n-m)/Nm＝整数时，根据本专利技术提供的技术获得的耦合系数实虚部随气隙长度的变化规律的示意图；图13为当参数满足(n+m)/Nm≠整数且(n-m)/Nm＝整数时，根据本专利技术提供的技术获得的耦合系数实虚部随气隙长度的变化规律的示意图；图14为当参数满足(n+m)/Nm＝整数且(n-m)/Nm≠整数时，根据本专利技术提供的技术获得的耦合系数实虚部随气隙长度的变化规律的示意图；图15为当参数满足(n+m)/Nm＝整数且(n-m)/Nm＝整数时，根据本专利技术提供的技术获得的耦合系数实虚部随径向支撑刚度的变化规律的示意图；图16为当参数满足(n+m)/Nm≠整数且(n-m)/Nm＝整数时，根据本专利技术提供的技术获得的耦合系数实虚部随径向支撑刚度的变化规律的示意图；图17为当参数满足(n+m)/Nm＝整数且(n-m)/Nm≠整数时，根据本专利技术提供的技术获得的耦合系数实虚部随径向支撑刚度的变化规律的示意图；图18为当参数满足(n+m)/Nm＝本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁电机周期定子的组合不稳定分析及预测方法，其特征在于，所述方法包括：在磁场随动坐标系下建立动力学模型，求解环形定子本体的特征值；根据特征值、结合摄动法求解周期定子的耦合系数；根据三角函数的性质，判断振动波数与永磁体个数的组合关系对所述耦合系数的影响规律；根据所述耦合系数，判断周期定子的组合不稳定特性。

【技术特征摘要】
1.一种永磁电机周期定子的组合不稳定分析及预测方法，其特征在于，所述方法包括：在磁场随动坐标系下建立动力学模型，求解环形定子本体的特征值；根据特征值、结合摄动法求解周期定子的耦合系数；根据三角函数的性质，判断振动波数与永磁体个数的组合关系对所述耦合系数的影响规律；根据所述耦合系数，判断周期定子的组合不稳定特性。2.根据权利要求1所述的一种永磁电机周期定子的组合不稳定分析及预测方法，其特征在于，所述动力学模型具体为：式中，表示定子的切向变形量，ε为无量纲小量，t为时间，M为质量算子，G为陀螺算子，D为向心刚度算子，K、K(1)和K(2)分别表示环形定子本体弯曲及磁拉力刚度算子。3.根据权利要求1所述的一种永磁电机周期定子的组合不稳定分析及预测方法，其特征在于，所述环形定子本体的特征值具体为：其中，Ωv为无量纲转速，n为振动波数，ku和kv分别为环形定子外侧设置均匀支撑的切向和径向刚度。4.根据权利要求3所述的一种永磁电机周期定子的组合不稳定分析及预测方法，其特征在于，所述采用摄动法求解周期定子的耦合...

【专利技术属性】
技术研发人员：王世宇，柳金龙，王哲人，张朋辉，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12