一种开关磁阻电机铁耗快速计算方法与流程

本发明涉及一种开关磁阻电机铁耗快速计算方法，尤其适用于各种相数及其结构的开关磁阻电机。

背景技术：

开关磁阻电机具有结构简单，坚固耐用，运行可靠，能量转换效率高等优点，但是由于开关磁阻直线电机的双凸极结构和磁饱和特性使得开关磁阻电机磁感应强度的非正弦特性，造成电机的铁耗计算困难。弄清开关磁阻电机铁耗产生的机理能够为提高电机的工作效率找到理论依据和改进方向；在建立电机控制系统模型时可以考虑把铁耗包含在内，从而得到更加准确的系统控制模型；对于选择合适的散热方式也有很大帮助，延长电机的适用寿命。因此研究一种开关磁阻电机铁耗快速计算方法是亟待解决的难点问题。要计算电机的铁耗，首先需要得到电机每一部分磁感应强度随时时间变化的曲线，目前主要有等效磁路法和有限元法，等效磁路法能够快速获得电机每一部分磁感应强度随时间变化的曲线，但是由于采用经验公式和很多近似，造成磁感应强度的计算精确度不够；有限元法能够准确的获得电机每一部分磁感应强度随时间的变化，但每改变一次电机的工况都需要采用有限元计算一次电机的电磁场，花费的时间较长。

技术实现要素：

针对上述技术中存在问题，提供一种能够快速获得电机铁心不同区域的磁密波形，用于电机铁心损耗的计算。

为实现上述技术目的，本发明的一种开关磁阻电机铁耗快速计算方法是首先通过在有限元软件中建立电机的静态电磁场模型，获得电机各部分随转子位置及电流大小变化的切向和径向静态磁密数据。然后根据磁路分析法得到了电机各部分动态磁密与静态磁密数据的关系，将静态磁密数据以二维查找表的形式放入电机的Matlab/Simulink非线性模型后快速获得电机随时间变化的动态磁密波形，最后根据电机铁耗的三项式变系数计算模型，在Matlab/Simulink中搭建了电机铁耗计算的三项式变系数模型，结合电机的每一部分的质量，累加求和实现开关磁阻电机铁耗的快速计算。具体方法如下。

首先根据电机的几何结构及尺寸建立电机的有限元模型，并根据电机的电磁场分布对电机的铁心划分N个区域，并选取了N个特征点对电机的磁密分布及变化趋势进行分析，划分的区域分别为任意两相定子极之间的轭部、转子极沿径向分为三个区域、定子极沿径向分为三个部分、任一两转子极之间的轭部，并在每一区域选取一个特征点，对电机的磁密分布及变化趋势进行分析。

在SRM的静态模型中，以转子槽中心轴线与A相定子极中心轴线对齐位置为初始位置。对模型进行求解后得到N个典型点随转子位置及电流变化的径向分量静态磁密和切向静态磁密数据，为了得到SRM动态磁密变化数据，利用磁路分析法对SRM的磁场进行分析。取定、转子极磁密正方向为由内径指向外径，定、转子轭磁密正方向为顺时针方向，得到电机每部分切向分量动态磁密与电机各个特征点切向分量静态磁密数据的关系式、电机每部分径向分量动态磁密与电机各个特征点径向分量静态磁密的关系式。

根据上述所述的电机各个特征点切向和径向动态磁密与静态磁密的关系式在MATLAB/Simulink中搭建考虑电机每一部分磁密波形变化的开关磁阻电机非线性模型，其中N个特征点的静态磁密数据存放在二维查找表模块中，电机的电流和位置作为查找表模块的输入，每个特征点的在对应电流和位置的磁密作为查找表模块的输出，得到每个特征点切向分量磁密和径向分量磁密随时间变化的曲线。在得到SRM铁心各部分动态磁密波形后，利用比较经典的铁耗计算方法是根据Bertotii铁耗分离模型的三项式铁耗变系数模型，在MATLAB/Simulink中搭建开关磁阻电机铁耗计算模块，结合电机每一部分的质量，计算得到电机每一部分的磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗。最后累加求和得到电机的总损耗。

有益效果：本发明对各种相数的开关磁阻电机适用。首先通过在有限元软件中建立电机的静态电磁场模型，获得电机各部分随转子位置及电流大小变化的切向和径向静态磁密数据。然后根据磁路分析法得到了电机各部分动态磁密与静态磁密数据的关系，将静态磁密数据以二维查找表的形式放入电机的Matlab/Simulink非线性模型后快速获得电机随时间变化的动态磁密波形，最后根据电机铁耗的三项式变系数计算模型，在Matlab/Simulink中搭建了电机铁耗计算的三项式变系数模型，结合电机的每一部分的质量，累加求和实现开关磁阻电机铁耗的快速计算，达到本发明的目的。该种开关磁阻电机铁耗快速计算方法计算快速，准确，求解方法简单，具有良好的工程应用价值。

附图说明

图1是本发明的电机铁心区域划分及特征点选取图。

图2是本发明的定子轭AB磁密切向分量计算Matlab/Simulink模块。

图3是本发明的定子轭AB磁密波形对比图。

图4是本发明的电机铁耗计算Matlab/Simulink模块。

图5是本发明的铁耗计算与实验结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述。

以一台三相6/4结构开关磁阻电机为例，首先根据电机的电磁场分布对电机的铁心进行了区域划分，并选取了10个特征点对电机的磁密分布及变化趋势进行分析，划分的区域及选取的10个特征点如图1所示，其中10个特征点分别为点a1～a6、b1～b3、b7。点b4～b6及b8是为了获得划分区域的动态磁密所增加的位置点，并根据电机的结构参数及几何参数建立电机的有限元模型。

在开关磁阻电机的静态模型中，以转子槽中心轴线与A相定子极中心轴线对齐位置为初始位置。对模型进行求解后得到10个特征点随转子位置及电流变化的静态磁密数据，其径向分量静态磁密别为Br1、Br2、Br3、BrAB、BrBC、BrCA、Br4、Br5、Br6、Br7、Br8，切向静态磁密分别为Bt1、Bt2、Bt3、BtAB、BtBC、BtCA、Bt4、Bt5、Bt6、Bt7、Bt8。

为了得到开关磁阻电机动态磁密变化数据，利用磁路分析法对开关磁阻电机的磁场进行分析。取定、转子极磁密正方向为由内径指向外径，定、转子轭磁密正方向为顺时针方向，当电机按A-C-B-A顺序励磁时，电机转向为逆时针。忽略漏磁通的影响，则定子极S1、S2、S3的磁密为

定子轭S4、S5、S6的磁密为

转子极S7、S8、S9的磁密为

转子轭S10的磁密为

根据所述的公式(1)-(4)在MATLAB/Simulink中搭建考虑电机每一部分磁密波形变化的开关磁阻电机非线性模型，其中10特征点及其4个位置点的静态磁密数据存放在二维查找表模块中，电机的电流和位置作为查找表模块的输入，每个特征点的在对应电流和位置的磁密作为查找表模块的输出，以定子轭AB切向磁密分量为例建立的动态切向磁密分量计算模块如图2所示，利用二维查找表模型仿真得到的电机各部分磁密波形与有限元仿真得到的磁密波形对比图如图3所示，其中所述的图3中Br为径向磁密，Bt为切向磁密。由所述的图3可知电机磁密波形与有限元仿真得到的磁密波形都吻合较好。因此，通过Matlab/Simulink搭建的磁密计算模块可以快速准确地获得铁心各部分的动态磁密波形，大大缩短了获取磁密所需要的时间。

目前，比较经典的铁耗计算方法是Bertotii铁耗分离模型，它将铁耗分为三个部分：

PFe＝Ph+Pe+Pc＝kh(B,f)fB^n(B)+kef²B²+kc(B,f)f^1.5B^1.5 (5)

其中，PFe为铁耗；Ph、Pe和Pc分别为磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗；f为频率；n为Steinmetz系数；B为磁密幅值；kh、ke和kc分别为磁滞损耗系数、涡流损耗系和附加损耗系数，均与电机铁心的材料、磁密峰值、频率等有关。对所述的式(5)中三个损耗系数kh、ke和kc，采用线性回归的方法对其进行拟合，得到三个参数的系数。然后在MATLAB/Simulink中根据所述的式(5)搭建SRM铁耗计算模块，如图4所示。所述的图4中B为通过二维查找表得到的磁密值，fs为磁密的变化频率。

通过上述计算模块及其电机每一部分电机的质量计算得到电机每一部分的磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗，累加求和完成电机铁耗的计算。

以电机开通关断角为0°-30°时电机各区域在负载为3N、6N、9N、12N为例计算得到电机的铁耗值如表1所示，实验结果与计算结果对比图如图5所示，实验结果表明所述的快速模型能够较为准备的计算电机的铁耗值。以台处理器为2.5GHz Intel Xeon E5-2620、内存为32GB的电脑为例，在相同工况下，利用有限元计算所述表1中的铁耗所需时间为1小时，而利用本文提出的铁耗快速计算模型只需要10分钟，表明所述的快速模型能够快速准确的计算电机的铁耗。

表1 开通关断角为0°-30°时电机各区域铁耗值