一种多相永磁电机的参数化设计方法与流程

本发明属于电机设计技术领域，具体涉及一种多相永磁电机的参数化电磁设计方法。

背景技术：

永磁电机利用高磁能积的稀土永磁材料取代了励磁绕组，具有功率密度高、机械结构简单、全调速范围效率高等优点。已经广泛应用于风力发电、电动(混动)汽车和船舶推进等领域。此外，经过特殊优化设计的永磁电机输出转矩非常平滑稳定，气隙电磁力的谐波成分较小，因此具有振动噪声低的特点，特别适合于舰艇推进、航空航天和先进制造等高端应用场合。

然而，由于永磁电机的结构灵活多变、磁路复杂且非线性强，常规电机设计方法难以兼顾永磁电机设计对快速性、准确性和通用性的需求，从而限制了永磁电机性能的进一步提升。

传统的解析磁路分析法在电励磁同步电机和感应电机的设计中应用广泛，但其适用的前提是电机内部磁路相对规整。而永磁电机结构多变，磁路较为复杂，且局部饱和严重，应用传统的解析磁路法很难获得准确的分析和设计结果。

另一种永磁电机设计方法，即磁网格法，将电机划分为一个2维或3维的磁势节点网格，节点间通过人为定义的最小磁路单元连接，通过求解该磁路网络即可分析电机的性能。这种电机设计方法的速度较快，精度较高，但当电机结构甚至尺寸发生变化时，其磁势节点网格需要人为重新定义，因此十分依赖于电机设计者的经验，通用性较差。

有限元法是一种通用的电机分析和设计方法，它通过自动剖分算法将电机几何模型划分为大量的三角形或四面体网格，再基于变分原理对电机的性能进行分析。该方法的设计精度高，因此电机设计者常用其进行设计微调和设计校核；同时，自动网格剖分算法适用于任何电机结构，通用性强。随着计算机硬件的不断进步和有限元算法的优化，永磁电机的有限元分析速度已足够快，不再是制约其设计的瓶颈因素。但是，永磁电机有限元模型的建模和设置过程复杂且耗时，即使是熟练的电机设计者，完成一型电机的建模、设置和调试少则需要几个小时，多则需要十几个小时。而永磁电机设计过程中，常常需要改变一个或多个设计变量，通过不断的迭代或是评估海量(几百到几千个)的设计，来找到满足设计要求的优化电磁方案。显然，现有有限元法不满足永磁电机设计对快速性的要求。

由于上述设计方法均难以满足永磁电机设计对精度、效率和通用性的要求，亟待提出一种改进的永磁电机设计方法，解决永磁电机有限元设计方法的快速性问题。

技术实现要素：

针对现有永磁电机设计技术缺陷，本发明的目的在于提供一种用于任意相数、任意极槽配合、多种定子槽型和磁极类型的多相永磁电机的参数化设计方法。

为达到上述目的，本发明设计的多相永磁电机的参数化设计方法，其特征在于包括以下步骤：

一、输入或修改电机的设计变量；

二、输入或修改电机的虚拟测试配置；

三、根据步骤一中的设计变量生成需评估的电机设计列表；

四、对步骤三中电机设计列表中的电机进行有限元建模并设置；

五、根据步骤二中的参数利用步骤四中的有限元模型进行有限元虚拟测试；

六、对步骤五中的结果进行后处理；

七、重复步骤四至步骤六直至步骤三中的电机设计列表中的参数都完成评估；

八、生成电机设计和性能的报表。

优选的，步骤一中的设计变量包括设置变量、通用设计变量、不同槽型所独有的设计变量和不同转子磁极类型所独有的设计变量。

进一步优选的，任一所述设计变量的输入值既可以是一个单值，也可以是一个数组，表示该电机设计变量的遍历取值范围。

进一步优选的，设置变量包括仿真平台所需的仿真设置参数和本型电机设计的工况设置参数。

进一步优选的，通用设计变量是指不同结构电机所公有的设计变量，主要包括电机各部分的材料、电机的绕组参数、定子槽几何尺寸、电机宏观几何尺寸、转子磁极几何尺寸和槽满率计算模块；独有的设计变量是指不同的定子槽型和转子磁极类型所具有的独有的设计变量，其用以进一步定义和描述具体的定子槽尺寸和转子磁极尺寸。

再进一步优选的，槽满率计算模块为辅助计算模块，其根据电机的绝缘规范、部分绕组参数和部分定子槽几何尺寸计算出定子槽的实际槽满率，并填写回定子槽几何尺寸中。

优选的，步骤二包括：a)确定虚拟测试的类型；b)根据a)中确定的虚拟测试类型配置测试的相关参数。一般，虚拟测试类型包括单工况测试、电流角扫描、dq微分电感计算、损耗分析、电磁力波分析和电感矩阵计算等。虚拟测试类型配置测试的相关参数例如，单工况测试需要指定电流幅值、电流角、转速等工况信息。

作为优选方案，步骤四中的有限元建模过程包括以下步骤：

1)根据电机的设计变量与有限元内核对接，创建空白模型；

2)通过设计变量确定电机极槽配合和建模对称周期；

3)绘制定子铁心、定子槽和槽内导体；

4)对槽内导体分相，利用分相结果确定绕组轴线的位置，并施加绕组激励；

5)绘制转子磁极，并施加永磁体激励；

6)绘制求解域，设置边界条件和运动关系；

7)设置网格剖分和仿真时步参数，并定义对后续结果分析的场函数；

优选的，步骤4)中的分相包括以下步骤：

①计算机械上相邻槽之间的机械角度差α_s，

②利用槽矢量行星图，计算相邻相量间的电角度差α_ph；

③进一步计算计算机械上相邻槽的电角度差

④计算机械上相邻的槽在槽矢量行星图的主行星中跳过的相邻相量的数目k，

⑤根据步骤④中的结果将主行星的所有相量依次填满获得主行星相量编号和槽的机械序号的映射关系，根据步骤④中的结果将从行星的所有相量依次填满获得从行星相量编号和槽的机械序号的映射关系；

⑥判断是否为整数，计算电机的相带数和每相带槽数：

是整数，相带数＝2m，

不是整数，相带数＝m，

⑦通过已得到的槽编号到相量编号对应关系，查出属于第1相各相带上层边的槽编号，对相带的上层边设置激励源参考方向；在各相带上层边设置完毕后，找出其对应的下层边，并设置其激励源参考方向；

⑧在第1相上述设置完毕后，重复步骤⑦直至所以相设置完毕；

其中，Q—电机总槽数；p—电机极对数；m—电机相数；t电机的周期数，其为电机总槽数Q和电机极对数p的最大公约数。

优选的，步骤八中的报表包括单个电机设计的分类测试结果报表、单个电机设计的综合性能报表以及多设计变量扫描的海量电机设计的性能对比报表。

本发明的有益效果是：本发明针对常规有限元设计方法进行了改进，通过将电机的所有设计变量参数化，并将有限元模型的建模、设置、计算、后处理和报表等过程自动化，从而把电机设计者从繁琐和冗长的有限元建模和设置过程中解脱出来，使其能专注于电机设计的本身(即寻找满足性能要求的设计变量集合)，大幅提高永磁电机的设计效率；另外，通过提供多个设计变量的扫描功能，能够使电机设计者研究多个设计变量同时变化对电机性能的影响，寻找全局最优设计，从而提高永磁电机的设计水平。本发明的设计方法适用于任意相数、任意极槽配合、多种定子槽型和磁极类型的径向磁通永磁电机设计。

具体而言，本发明将繁琐且耗时的永磁电机有限元建模和设置过程完全参数化和自动化，建模时间从几个小时缩减至几秒，极大地提高了有限元建模速度和永磁电机设计的效率，同时避免了因为人为失误而导致的建模错误；建模步骤中采用的绕组排布算法支持任意相数的电机、任意节距的双层绕组，集中绕组和分布绕组，整数槽绕组和任意极槽配合的分数槽绕组，通用性强，能覆盖大多数常规和特种永磁电机的设计需求；本发明建模步骤中的预设转子磁极结构多达十几种，且可通过模块化开发支持新的转子磁极结构，可扩展性强，能够满足特殊磁极结构的设计需求；本发明可通过软件控制有限元模型自动完成不同类型的标准测试，其间无需人工干预，大大提高了电机性能分析的效率，避免了由于人为失误而导致的计算错误；本发明通过软件自动对各种标准测试结果进行后处理并生成标准报表，提高了电机性能评估的效率；由于电机建模、测试和性能评估全部实现了参数化和自动化，因此可以利用该方法对海量的电机设计进行自动的扫描、评估和全局择优，因此可以得到更为优化的永磁电机设计，提高其性能水平。

附图说明

图1是本发明的总流程图

图2是本发明实现的电机设计和性能报表的层次图

具体实施方式

下面通过图1～图2以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述，本实施例内的任何技术特征以及任何技术方案均不限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明设计的多相永磁电机的参数化设计方法，其特征在于包括以下步骤：

一、输入或修改电机的设计变量；

设计变量包括设置变量、通用设计变量、不同槽型所独有的设计变量和不同转子磁极类型所独有的设计变量；优选的，任一所述设计变量的输入值既可以是一个单值，也可以是一个数组，表示该电机设计变量的遍历取值范围；

设置变量包括仿真平台所需的仿真设置参数和本型电机设计的工况设置参数：仿真设置参数包括项目名称、设计名称、默认有限元剖分长度等；工况设置参数包括转子机械角速度、相电流峰值、电流角、激励类型、电流波形类型等；优选的，激励类型为电压源或电流源或外部网络；

通用设计变量是指不同结构电机所公有的设计变量，主要包括电机各部分的材料、电机的绕组参数、定子槽几何尺寸、电机宏观几何尺寸、转子磁极几何尺寸和槽满率计算模块。

电机各部分的材料包括定子铁心材料、定子绕组材料、转子铁心材料、转子永磁体材料等；绕组参数包括相数、极数、每极每相槽数、每槽导体数等；定子槽几何尺寸包括定子槽型、定子开口槽、定子槽楔宽、定子槽满率等；电机宏观几何尺寸包括铁心轴向长度、定子外半径、定子内半径、气隙长度等；转子磁极几何尺寸包括转子磁极类型、永磁体厚度、极弧系数等；

槽满率计算模块为辅助计算模块，其根据电机的绝缘规范、部分绕组参数和部分定子槽几何尺寸计算出定子槽的实际槽满率，并填写回定子槽几何尺寸中；

当电机结构发生变化时，只需在通用设计变量中选择相应的结构类型，则此时，只有对应该结构的独有设计变量起作用，能够兼容各种不同结构永磁电机的设计需求；

不同结构电机有时存在独有的设计变量；例如：不同定子槽型的独有设计变量中的半闭口平行槽，其具有的独有设计变量有定子槽身宽和定子槽开口方向等；不同定子槽型的独有设计变量中的斜顶平底半闭口槽具有的独有设计变量有定子槽底宽等等；类似的独特定子槽型及其独有的设计变量还有很多，再此不赘述；同样的，不同转子磁极类型的也具有独有的设计变量，例如其中的表贴式偏心削极磁极的独有设计变量有削极凸起部分高度和永磁体定位槽高度等、内嵌式永磁体余弦削极的独有变量有余弦削极曲线分段数、两侧隔磁障径向结构筋宽度和削极中3次谐波所占比例等；还有许多可能的磁极形式都具有含义各不相同的设计变量，当用户选定定子槽型和转子磁极类型后，只有相对应的独有设计变量才会其作用；

二、输入或修改电机的虚拟测试配置；

a)确定虚拟测试的类型；b)根据a)中确定的虚拟测试类型配置测试的相关参数。虚拟测试配置首先需要选择进行哪些测试，只有上述测试被选中后，后续的测试配置才会生效，相应的测试才会进行；

一般，虚拟测试类型包括单工况测试、电流角扫描、电感矩阵计算、DQ微分电感计算、损耗分析、电磁力波分析等；

具体的，单工况测试主要分析该电机设计在单个工况下的基本性能；电流角扫描主要用来确定电机转矩与电流幅值和电流角的关系，为确定电机最优工作电流提供数据；电感矩阵计算可确定电机各相自感和任意相间的漏感；DQ微分电感计算可求出电机在一系列指定工况下，d轴和q轴的增量电感，为电机控制器的输入提供参考；通过损耗分析测试可求出电机的铜损、铁损、涡流损耗等信息，为电机的冷却设计提供输入；而电磁力波分析可计算电机的气隙时空电磁力波，为电机的振动特性分析提供输入；

虚拟测试类型配置测试的相关参数例如：单工况测试需要指定电流幅值、电流角、转子机械转速等信息；电流角扫描需要指定电流幅值扫描范围、电流角度扫描范围和转子机械转速等信息；电感矩阵计算需要指定电流幅值序列和电流角序列等信息；DQ微分电感计算需要指定电流幅值序列、电流角序列和电流扰动幅值等信息；损耗分析需要指定电流幅值、电流角和转子机械转速等信息；电磁力波分析需要指定电流幅值、电流角和转子机械转速等信息；

上述虚拟测试的名称和实现的功能仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明；

三、根据步骤一中的设计变量生成需评估的电机设计列表；

四、对步骤三中电机设计列表中的电机进行有限元建模并设置；

有限元建模过程包括以下步骤：

1)根据电机的设计变量与有限元内核对接，创建空白模型；

2)通过设计变量确定电机极槽配合和建模对称周期；

3)绘制定子铁心、定子槽和槽内导体；

4)对槽内导体分相，利用分相结果确定绕组轴线的位置，并施加绕组激励；

5)绘制转子磁极，并施加永磁体激励；

6)绘制求解域，设置边界条件和运动关系；

7)设置网格剖分和仿真时步参数，并定义对后续结果分析的场函数；

优选的，步骤4)中的分相包括以下步骤：

①计算机械上相邻槽之间的机械角度差α_s，

②利用槽矢量行星图，计算相邻相量间的电角度差α_ph；

③进一步计算计算机械上相邻槽的电角度差

④计算机械上相邻的槽在槽矢量行星图的主行星中跳过的相邻相量的数目k，

⑤根据步骤④中的结果将主行星的所有相量依次填满获得主行星相量编号和槽的机械序号的映射关系，也就是说，将主行星中Q/t个辐条位置依次填满槽的机械序号，得到相量序号到槽序号的映射表<phasorToSlotMapping>其中X轴为相邻相量的依次序号，Y轴为定子槽的机械序号；根据步骤④中的结果将从行星的所有相量依次填满获得从行星相量编号和槽的机械序号的映射关系；

⑥判断是否为整数，计算电机的相带数和每相带槽数：

是整数，相带数＝2m，

不是整数，相带数＝m，

⑦通过已得到的槽编号到相量编号对应关系，查出属于第1相各相带上层边的槽编号，对相带的上层边设置激励源参考方向；在各相带上层边设置完毕后，找出其对应的下层边，并设置其激励源参考方向；

当是整数，通过<phasorToSlotMapping>，查出第1相前相带的槽编号和第1相后相带的槽编号；在建模时只需建半个单元电机，前相带的上层边电流参考方向为正，后相带的电流参考方向为负；布置完上层边后，从第1相上层边出发，数“节距”个槽，填对应线圈的下层边，下层边电流参考方向与其对应的上层边电流参考方向相反；

当不是整数，通过<phasorToSlotMapping>，查出第1相前相带的槽编号；在建模时需建整个单元电机，相带的上层边电流参考方向均为正；布置完上层边后，从第1相上层边出发，数“节距”个槽，填对应线圈的下层边，下层边电流参考方向与其对应的上层边电流参考方向相反；

⑧在第1相上述设置完毕后，重复步骤⑦直至所以相设置完毕；

其中，Q—电机总槽数；p—电机极对数；m—电机相数；t电机的周期数，其为电机总槽数Q和电机极对数p的最大公约数；

五、根据步骤二中的参数利用步骤四中的有限元模型进行有限元虚拟测试；

六、对步骤五中的结果进行后处理；

七、重复步骤四至步骤六直至步骤三中的电机设计列表中的参数都完成评估；

八)生成电机设计和性能的报表。

所述报表包括单个电机设计的分类测试结果报表、单个电机设计的综合性能报表以及多设计变量扫描的海量电机设计的性能对比报表；

所述报表共分为3个层面：最底层的是虚拟测试结果报表，一型电机设计可能拥有一个或多个分项虚拟测试结果报表。中间层是单个电机设计的综合性能报表，由分项虚拟测试报表中的关键电机性能和外特性结果等汇总而成。最顶层为多电机设计性能指标对比报表，是由设计空间中所有的单个电机性能报表的关键性能指标汇总而成。

本领域技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不以限制本发明，凡在本发明的精神和原则下所做的任何修改、组合、替换、改进等均包含在本发明的保护范围之内。