一种实心转子感应电机转子谐波涡流损耗的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种实心转子感应电机转子谐波涡流损耗的计算方法，构建实心转子感应电机二维电磁场分析有限元模型，采用瞬态场时步有限元仿真计算方法，获取电机稳态气隙磁场时空分布，采用二维傅里叶分解定量提取电机气隙谐波磁场特性，构建边界条件模拟气隙磁场特性以激励实心转子，结合冻结磁导率法考虑实心转子在负载工况下的材料特性，实现实心转子感应电机的转子谐波涡流损耗的高精度快速分离计算；本发明专利技术可以有效提高计算精度、减小计算规模、加快计算速度。模、加快计算速度。模、加快计算速度。

【技术实现步骤摘要】
一种实心转子感应电机转子谐波涡流损耗的计算方法


[0001]本专利技术涉及一种基于二维有限元分析计算方法，采用二维傅里叶分解定量提取电机气隙谐波磁场，利用边界条件反向构建所提取的气隙谐波磁场以激励实心转子，结合冻结磁导率法考虑实心转子在负载工况下的材料特性，实现实心转子感应电机的转子谐波涡流损耗的快速计算方法。

技术介绍

[0002]感应电机较其他类型的电机具有低成低廉、结构简单、可靠性强等优势，其应用场景涵盖了各种转速和功率等级。实心转子感应电机的转子由钢及其合金材料制成，具有机械强度高、耐腐蚀性强和可靠性好的特点，能够挑战更高转速、更高的功率等级和更为恶劣的运行环境，适合频繁重载起动或者长时间工作在制动状态。
[0003]区别于传统鼠笼转子感应电机，实心转子感应电机的转子既是电机磁路的一部分，又是转子感应涡流流动的载体，这种特征导致其具有较大的转子涡流损耗以及较低的功率因数。同时，实心转子会导致较强的端部效应，使得转子感应涡流在转子两端向转轴径向涌动，缩短实心转子有效长度增加转子损耗，最终进一步恶化电机的效率指标。
[0004]因此，实心转子感应电机的转子涡流损耗的分析和计算，是对其进行有效抑制的前提，是提高实心转子感应电机效率的重中之重。一般而言，学术界主要采用解析法分析计算气隙谐波磁场特性，在实心转子表面所引起的谐波涡流损耗，并采用电流片激励模拟谐波用以激励实心转子，从而实现转子表面感应涡流损耗的分离和计算。
[0005]然而，上述方法普遍较难考虑非线性材料特性、定转子开槽引起的气隙磁导的畸变以及负载变化等因素的影响，导致电机气隙谐波磁场特性的提取和转子涡流损耗的分离和计算存在较大的误差。因此，有必要针对现有技术方法所存在的一系列问题，探索实心转子感应电机转子谐波涡流损耗高精度快速定量分离的计算方法，为降低实心转子感应电机转子涡流损耗提供理论依据。

技术实现思路

[0006]本专利技术技术解决问题：针对实心转子感应电机在分离转子谐波涡流损耗过程中难以精确考虑非线性材料特性、定转子开槽引起的气隙磁导的畸变以及负载变化等因素的影响，提供一种实心转子感应电机转子谐波涡流损耗的计算方法，具有能够考虑材料非线性和收敛速度快等优点。
[0007]本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的，包括如下步骤：
[0008]本专利技术一种实心转子感应电机转子谐波涡流损耗的计算方法，包括如下步骤：
[0009](1)建立基于材料非线性和负载工况的实心转子感应电机二维有限元模型，主要包括定子侧模型和实心转子侧模型两个部分；
[0010](2)对步骤(1)中基于材料非线性和负载工况的实心转子感应电机二维有限元模型进行时步有限元仿真，待基于材料非线性和负载工况的实心转子感应电机二维有限元模
型计算达到稳定状态后，提取仿真模型达到稳态后的最后一个电周期内的定转子气隙中心的气隙磁密时空分布B(θ,t)，θ为转子位置角，t为时间；
[0011](3)提取步骤(1)中基于材料非线性和负载工况的实心转子感应电机二维有限元模型最后时刻实心转子区域内各个节点的相对磁导率分布μ
r
(x,y)，式中：x和y为直角坐标系下的横纵坐标；
[0012](4)提取步骤(2)中气隙磁密B(θ,t)的谐波特性，包括：谐波阶次ν，ν次谐波幅值B
ν
，ν次谐波频率f
ν
；
[0013](5)将步骤(1)基于材料非线性和负载工况的实心转子感应电机二维有限元模型删除定子侧模型，仅保留实心转子侧模型从而构成单独转子模型，并将步骤(3)中提取的相对磁导率分布μ
r
(x,y)赋予到所保留的实心转子区域内的各个节点，从而保留步骤(3)中实心转子区域内各个节点的材料特性；
[0014](6)在步骤(5)中单独转子模型的气隙外缘建立恒定磁场边界条件，实现反向构建步骤(4)中的气隙磁密谐波特性，用以激励实心转子，构成谐波激励的实心转子模型，该恒定磁场边界在x和y为直角坐标系下的参数方程可以表述为：
[0015][0016]式中：ω
ν
为ν次谐波所对应的电角频率，ω
ν
＝2πf
ν
；
[0017](7)依据步骤(6)中所建立的谐波激励的实心转子模型，采用气隙磁密ν次谐波激励，仿真计算待谐波激励的实心转子模型达到稳定状态，获取最后一个电周期实心转子涡流损耗的平均值P
ν
，即为气隙磁密ν次谐波所引起的实心转子感应电机转子谐波涡流损耗。
[0018]作为本专利技术进一步优化的方案，所述步骤(1)中，材料非线性由磁感应强度
‑
磁场强度曲线，即B
‑
H曲线确定，保证计及非线性材料对电机电磁性能的影响。
[0019]作为本专利技术进一步优化的方案，所述步骤(2)中，基于材料非线性和负载工况的实心转子感应电机二维有限元模型采用瞬态场求解器进行求解计算，仿真步长可根据具体的工程实际需求选取，保证计算精度并充分计及气隙磁场谐波的影响。
[0020]作为本专利技术进一步优化的方案，所述步骤(2)中，稳定状态的判据为仿真最后一个电周期三相电流基波幅值相差不超过0.5％，减少由三相不平衡电流引起的计算误差。
[0021]作为本专利技术进一步优化的方案，所述步骤(3)中，采用冻结磁导率法提取实心转子区域内各个节点的相对磁导率分布μ
r
(x,y)，降低后续单独转子模型计算过程中模型材料特性的非线性迭代次数。
[0022]作为本专利技术进一步优化的方案，所述步骤(4)中，采用二维傅里叶分解提取气隙磁密B(θ,t)的谐波特性，提高谐波分离的精度减少由采用传统时间或者空间一维傅里叶分解所引起的混叠效应。
[0023]作为本专利技术进一步优化的方案，所述步骤(6)中，单独转子模型的气隙外缘半径为转子半径加1/2定转子之间气隙长度，提高后续所需提取的气隙磁密波形的精度。
[0024]作为本专利技术进一步优化的方案，所述步骤(7)中，模型仿真运行2至5个电周期达到稳定状态，保证计算能够充分达到稳态同时降低计算耗时。
[0025]与已有技术相比，本专利技术有益效果体现在：
[0026]本专利技术既保证了实心转子感应电机转子涡流损耗的计算精度，又减少了模型计算规模，缩短模型达到稳定状态的时间，与现有技术相比，本专利技术主要改进在采用二维傅里叶分解法对气隙磁场进行溯源，提高频谱分析的精度减少由采用传统时间或者空间一维傅里叶分解所引起的混叠效应；同时，与采用恒定磁导率的分析技术相比，采用冻结磁导率能够进一步充分计及负载工况和饱和效应对转子感应涡流分布的影响；此外，本专利技术不仅能够定量计算实心转子感应电机转子谐波涡流损耗的大小，还能获得感应涡电流的分布，为后续降低涡流损耗提供有效依据。综上所述，本专利技术为实心转子感应电机转子谐波涡流损耗的计算提供完整的系统的思路方案。
[0027]其构思机理是：首先建立考虑材料非线性和负载工况的实心本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实心转子感应电机转子谐波涡流损耗的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)建立基于材料非线性和负载工况的实心转子感应电机二维有限元模型，包括定子侧模型和实心转子侧模型两个部分；(2)对步骤(1)中基于材料非线性和负载工况的实心转子感应电机二维有限元模型进行时步有限元仿真，待基于材料非线性和负载工况的实心转子感应电机二维有限元模型计算达到稳定状态后，提取基于材料非线性和负载工况的实心转子感应电机二维有限元模型达到稳态后的最后一个电周期内的定转子气隙中心的气隙磁密时空分布B(θ,t)，θ为转子位置角，t为时间；(3)提取步骤(1)中基于材料非线性和负载工况的实心转子感应电机二维有限元模型最后时刻实心转子区域内各个节点的相对磁导率分布μ
r
(x,y)，式中：x和y为直角坐标系下的横纵坐标；(4)提取步骤(2)中气隙磁密B(θ,t)的谐波特性，包括：谐波阶次ν，ν次谐波幅值B
ν
，ν次谐波频率f
ν
；(5)将步骤(1)基于材料非线性和负载工况的实心转子感应电机二维有限元模型，仅保留实心转子侧模型从而构成单独转子模型，并将步骤(3)中提取的相对磁导率分布μ
r
(x,y)赋予到所保留的实心转子区域内的各个节点，从而保留步骤(3)中实心转子区域内各个节点的材料特性；(6)在步骤(5)中单独转子模型的气隙外缘建立恒定磁场边界条件，实现反向构建步骤(4)中的气隙磁密谐波特性，用以激励实心转子，构成谐波激励的实心转子模型，该恒定磁场边界在x和y为直角坐标系下的参数方程表述为：式中：ω
ν
为ν次谐波所对应的电角频率，ω
ν
＝2πf
ν
；(7)依据步骤(6)中所建立的谐波激励的实心转子模型，采用气隙磁密ν次谐波激励，仿真计算待谐波激励的实心转子模型达到稳定状态，获取最后一个电周期实心转子涡流损耗的平均值P
ν
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王群京，狄冲，钱喆，陈起旭，周睿，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：