一種軸向永磁電機等效磁路模型的建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種軸向永磁電機等效磁路模型的建模方法，建模過程包括以下步驟：判別軸向永磁電機所屬拓撲結(jié)構(gòu)，明確電機定子、轉(zhuǎn)子、永磁體、氣隙各部分尺寸大?。焕糜邢拊抡孳浖S向永磁電機進行三維有限元分析，獲取電機各部分磁通密度分布；將軸向永磁電機沿直徑方向平均分割為N段；根據(jù)有限元分析所得磁通密度分布和定轉(zhuǎn)子鐵芯材料磁化曲線，計算定轉(zhuǎn)子的等效磁阻；根據(jù)永磁材料的剩磁密度和相對回復(fù)磁導(dǎo)率特性，計算永磁體的等效磁勢和等效磁阻；根據(jù)定轉(zhuǎn)子相對位置，將氣隙劃分為若干小區(qū)域，分別計算各部分等效磁阻；結(jié)合各部分建模，建立軸向永磁電機等效磁路模型。本發(fā)明為軸向永磁電機進行初始和優(yōu)化設(shè)計提供精確、快速的磁路計算方法。
【專利說明】一種軸向永磁電機等效磁路模型的建模方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種電機磁路建模方法，尤其涉及一種軸向永磁電機等效磁路模型的 建模方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 軸向永磁電機具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、功率密度大等優(yōu)點，尤其適合應(yīng)用于電動車 輛、可再生能源系統(tǒng)、工業(yè)設(shè)備等要求高轉(zhuǎn)矩密度和空間緊湊的場合。
[0003] 軸向永磁電機同時存在軸向和周向路徑的磁通，本質(zhì)上體現(xiàn)了三維磁場分布，使 得其分析設(shè)計過程難度增大。目前，常用三種方法進行軸向永磁電機電磁場計算，包括解析 法、有限元法和等效磁路法。
[0004] 解析法在特定的假設(shè)簡化條件下，通過求解麥克斯韋方程組，實現(xiàn)滿足一定精度 的磁場分析計算，該方法的優(yōu)點是計算速度快。然而，諸如磁路飽和、定子齒槽、漏磁等因素 難以在解析式中精確的體現(xiàn)，導(dǎo)致該方法計算精度偏低。
[0005] 有限元法可以同時考慮多種效應(yīng)的影響，實現(xiàn)高精確度的磁場分析，但該方法建 模過程復(fù)雜，計算時間長，參數(shù)修改不便，難以應(yīng)用于存在多種參變量在較大范圍內(nèi)變動的 初始和優(yōu)化設(shè)計。
[0006] 等效磁路法采用"磁路"和"電路"類比的方法，在考慮磁路飽和、鐵磁材料非線性 以及永磁磁場和電樞反應(yīng)磁場相互影響等因素下，利用隨時間和空間變化的磁阻構(gòu)建磁阻 網(wǎng)絡(luò)模型，通過節(jié)點磁位建立網(wǎng)絡(luò)方程，求解得到電機磁場分布。等效磁路法可以實現(xiàn)計算 時間和計算精度的有效平衡，適合應(yīng)用于電機初始和優(yōu)化設(shè)計。
[0007] 綜上所述，從磁路模型入手，在滿足一定計算精度的前提下，有效減少磁場分析計 算時間，對于軸向永磁電機分析、設(shè)計、優(yōu)化將具有重大意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 發(fā)明目的：針對上述現(xiàn)有技術(shù)，提出一種軸向永磁電機等效磁路模型的建模方法， 在滿足計算精度的前提下，有效減少磁場計算所需的時間，為軸向永磁電機進行可靠性設(shè) 計和優(yōu)化分析提供有效、快速的磁路計算方法。
[0009] 技術(shù)方案：一種軸向永磁電機等效磁路模型的建模方法，包括以下步驟：
[0010] (1)，判別軸向永磁電機所屬拓撲結(jié)構(gòu)，并確定電機定子、轉(zhuǎn)子、永磁體、氣隙部分 的尺寸大??；
[0011] (2)，利用有限元仿真軟件對軸向永磁電機進行三維有限元分析，獲取電機定子、 轉(zhuǎn)子以及氣隙磁通密度分布；
[0012] (3)，將軸向永磁電機沿徑向平均分割為N段；
[0013] (4)，根據(jù)定轉(zhuǎn)子鐵芯材料磁化曲線、定子和轉(zhuǎn)子尺寸大小以及步驟（2)所得的電 機定子和轉(zhuǎn)子部分的磁通密度分布，計算定轉(zhuǎn)子的等效磁阻；
[0014] (5)，根據(jù)永磁體的大小尺寸、剩余磁通密度以及相對回復(fù)磁導(dǎo)率特性，計算永磁 體的等效磁勢和等效磁阻；
[0015] ￠)，根據(jù)電機定轉(zhuǎn)子相對位置以及氣隙部分的尺寸，將氣隙部分劃分為若干區(qū) 域，分別計算所述各區(qū)域氣隙的等效磁阻；
[0016] (7)，結(jié)合所述定轉(zhuǎn)子的等效磁阻、永磁體的等效磁勢和等效磁阻以及所述各區(qū)域 氣隙的等效磁阻，建立軸向永磁電機的等效磁路模型。
[0017] 作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述步驟（3)中將軸向永磁電機沿徑向平均分割為4段。
[0018] 作為本發(fā)明的優(yōu)選方案，所述步驟（4)中計算定轉(zhuǎn)子的等效磁阻包括非線性磁阻 和漏磁阻。
[0019] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的軸向永磁電機等效磁路模型建模方法，采用 "磁路"和"電路"類比的方法，在考慮磁路飽和、鐵磁材料非線性以及永磁磁場和電樞反應(yīng) 磁場相互影響等因素下，利用隨時間和空間變化的磁阻構(gòu)建磁阻網(wǎng)絡(luò)模型，通過節(jié)點磁位 建立網(wǎng)絡(luò)方程，求解得到電機磁場分布，進而求得電機相關(guān)靜態(tài)特性。在滿足一定計算精度 的前提下，有效減少磁場分析計算時間，為軸向永磁電機進行可靠性設(shè)計和優(yōu)化分析提供 有效、快速的磁路計算方法。
[0020] 其中，將軸向永磁電機沿徑向平均分割為N段，考慮磁通密度沿直徑方向變化，從 而提高計算精度；且N為正整數(shù)，取值越大，計算精度越高，但建模過程也越復(fù)雜；當N為4 段時，能夠使計算精度控制在5 %以內(nèi)，且計算復(fù)雜度最小。
[0021] 根據(jù)定轉(zhuǎn)子鐵芯材料磁化曲線和電機定子和依據(jù)有限元分析所得轉(zhuǎn)子部分的磁 通密度分布，計算軸向永磁電機定轉(zhuǎn)子的等效磁阻；該等效磁阻包括非線性磁阻，通過迭代 過程考慮鐵芯材料的磁路飽和現(xiàn)象；以及漏磁阻考慮該部分漏磁特征。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明實施例中軸向永磁電機的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023] 圖2是本發(fā)明軸向永磁電機沿直徑方向分割為4段的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖3是本發(fā)明軸向永磁電機氣隙劃分區(qū)域后的主視結(jié)構(gòu)圖；
[0025] 圖4是本發(fā)明所提出方法應(yīng)用于軸向永磁電機的等效磁路模型；
[0026] 圖5是本發(fā)明所述的軸向永磁電機等效磁路模型建模方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做更進一步的解釋。
[0028] 如圖1所示為本發(fā)明實施例中軸向永磁電機的結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明方法應(yīng)用于軸 向永磁電機由定子鐵芯1、定子繞組2、轉(zhuǎn)子背鐵3以及永磁體4組成。
[0029] 如圖2所示為將軸向永磁電機沿徑向分割為4段的結(jié)構(gòu)示意圖，分割的方向是與 磁通路徑所在的軸向垂直的方向。
[0030] 如圖3所示為軸向永磁電機氣隙劃分區(qū)域后的主視結(jié)構(gòu)圖；根據(jù)定轉(zhuǎn)子相對位 置，將氣隙劃分為若干小區(qū)域，分別計算各部分等效磁阻。
[0031] 如圖4所示為軸向永磁電機的等效磁路模型，R,、Rt、Rsh、R m分別為轉(zhuǎn)子等效磁阻、 定子齒等效磁阻、定子肩等效磁阻以及永磁體等效磁阻；R^、R_、Rs、R ss為永磁體與氣隙漏 磁阻、相鄰永磁體間漏磁阻、定子槽漏磁阻和定子肩漏磁阻；凡I、列-內(nèi)為永磁體和電樞反 應(yīng)等效磁勢為氣隙等效磁阻。
[0032] 如圖5所示，軸向永磁電機等效磁路模型的建模方法，包括以下步驟：
[0033] (1)，判別軸向永磁電機所屬拓撲結(jié)構(gòu)，并確定電機定子、轉(zhuǎn)子、永磁體、氣隙部分 的尺寸大?。?br> [0034] (2)，利用有限元仿真軟件對軸向永磁電機進行三維有限元分析，獲取電機定子、 轉(zhuǎn)子以及氣隙磁通密度分布；
[0035] (3)，將軸向永磁電機沿徑向平均分割為4段；
[0036] (4)，根據(jù)定轉(zhuǎn)子鐵芯材料磁化曲線、定子和轉(zhuǎn)子尺寸大小以及步驟（2)所得的電 機定子和轉(zhuǎn)子部分的磁通密度分布，計算定轉(zhuǎn)子的等效磁阻，等效磁阻包括非線性磁阻和 漏磁阻；
[0037] (5)，根據(jù)永磁體的大小尺寸、剩余磁通密度以及相對回復(fù)磁導(dǎo)率特性，計算永磁 體的等效磁勢和等效磁阻；其中，剩余磁通密度和相對回復(fù)磁導(dǎo)率是由廠家直接提供的參 數(shù)得到；
[0038] 出），根據(jù)電機定轉(zhuǎn)子相對位置以及氣隙部分的尺寸，將氣隙部分劃分為若干區(qū) 域，分別計算所述各區(qū)域氣隙的等效磁阻；
[0039] (7)，結(jié)合所述定轉(zhuǎn)子的等效磁阻、永磁體的等效磁勢和等效磁阻以及各區(qū)域氣隙 的等效磁阻，建立軸向永磁電機的等效磁路模型。
[0040] (8)，建模完成。
[0041] 上述過程為本發(fā)明實現(xiàn)過程中的一種，本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明基礎(chǔ)上進行的變 化和替換，諸于改變軸向永磁電機徑向分割層數(shù)，改變氣隙劃分區(qū)域等，也包含在本發(fā)明的 保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種軸向永磁電機等效磁路模型的建模方法，其特征在于，包括以下步驟： (1 )，判別軸向永磁電機所屬拓撲結(jié)構(gòu)，并確定電機定子、轉(zhuǎn)子、永磁體、氣隙部分的尺 寸大小； (2) ，利用有限元仿真軟件對軸向永磁電機進行三維有限元分析，獲取電機定子、轉(zhuǎn)子 以及氣隙磁通密度分布； (3) ，將軸向永磁電機沿徑向平均分割為N段； (4) ，根據(jù)定轉(zhuǎn)子鐵芯材料磁化曲線、定子和轉(zhuǎn)子尺寸大小以及步驟（2)所得的電機定 子和轉(zhuǎn)子部分的磁通密度分布，計算定轉(zhuǎn)子的等效磁阻； (5) ，根據(jù)永磁體的大小尺寸、剩余磁通密度以及相對回復(fù)磁導(dǎo)率特性，計算永磁體的 等效磁勢和等效磁阻； (6) ，根據(jù)電機定轉(zhuǎn)子相對位置以及氣隙部分的尺寸，將氣隙部分劃分為若干區(qū)域，分 別計算所述各區(qū)域氣隙的等效磁阻； (7) ，結(jié)合所述定轉(zhuǎn)子的等效磁阻、永磁體的等效磁勢和等效磁阻以及所述各區(qū)域氣隙 的等效磁阻，建立軸向永磁電機的等效磁路模型。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種軸向永磁電機等效磁路模型的建模方法，其特征在于： 所述步驟（3)中將軸向永磁電機沿徑向平均分割為4段。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種軸向永磁電機等效磁路模型的建模方法，其特征在于： 所述步驟（4)中計算定轉(zhuǎn)子的等效磁阻包括非線性磁阻和漏磁阻。
【文檔編號】G06F17/50GK104063556SQ201410321108
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月7日
【發(fā)明者】黃允凱, 周濤, 房姍姍, 董劍寧, 郭保成 申請人:東南大學