一种新型定子永磁式电机铁耗计算方法

1.本发明涉及电机铁耗计算领域，具体涉及一种考虑到椭圆旋转磁化现象、直流偏磁现象、小磁滞回环现象和pwm谐波电流的影响的新型定子永磁式电机铁耗计算方法。


背景技术：

2.随着全球变暖、化石燃料紧缺以及环境污染问题，如何更高效地利用能源成为人类发展过程中所必须面对的问题。永磁同步电机具有体积小、高功率密度、高效率、高输出转矩和运行可靠等优点，已经在许多领域内得到了广泛的应用，尤其是在汽车工业领域，永磁同步电机在新能源汽车的发展中发挥着重要的作用。
3.传统永磁电机大多采用表面贴装式、插入式或嵌入式等工艺将永磁体固定于转子，这样，在电机运行过程中，就会产生散热困难、过高温升导致永磁体不可逆退磁，从而限制电机出力等问题。针对这一问题，早在上个世纪50年代，就有学者对定子永磁电机开展了研究。与转子永磁电机不同，定子永磁电机将永磁体和电枢绕组都置于定子，简单的转子结构不但提高了电机运行的可靠性，而且转子旋转时，也可以起到风扇的作用，使电机散热性能得到增强。
4.定子永磁式电机因其结构坚固、功率(转矩)密度高、散热性能好、容错能力强等显著优点而受到越来越多的关注。它被认为是开关磁阻电机和传统永磁无刷电机的组合，在许多电气工业场合中应用越来越广泛。然而目前很少有学者研究定子永磁式电机的铁耗计算模型。由于这种电机的结构与传统的永磁电机完全不同，导致损耗分布完全不同，因此研究这种电机的损耗非常重要。
5.经检索，中国专利申请号为cn202110629757.7的专利，公开了一种基于转速的高速电机铁耗快速计算方法及模型。所述电机为高速电机，所述方法及模型以经典的铁耗计算模型为基础，得到考虑高次谐波、旋转磁化、趋肤效应和小磁滞回环等因素的变系数铁耗计算模型，该模型能够充分反应铁耗随磁密波形畸变率、磁密幅值和电机频率的变化，通过对不同转速下电机铁耗计算结果进行非线性曲线拟合得到铁耗与转速之间的关系，从而得到与转速有关的铁耗计算模型，该模型可以快速得到不同电机转速下对应的铁耗，并且具有较高的的计算精度。本发明提出的铁耗快速计算模型建立方法应用范围广，不仅适用于高速永磁电机铁耗计算，也可以用于其它类型的高速电机。
6.本发明提出了一种新型定子永磁式电机铁耗计算方法。该方法为：首先选取代表点用于分析铁心内的磁密变化规律；接着通过仿真得到椭圆磁化轨迹图；对椭圆谐波磁场分解；求出各次椭圆形谐波长轴与短轴上的磁密幅值和直流偏磁幅值；最终通过所提出的公式计算铁耗。本发明提出的新型定子永磁式电机铁耗计算方法通过考虑到多种因素的影响，包括：椭圆旋转磁化现象、直流偏磁现象、小磁滞回环现象和pwm谐波电流，具有准确性较高、计算过程简便、可以用于计算不同电机在不同工况下的铁耗等凸出优点，为电机的设计与优化提供指导。
7.与上述专利文件相比，本发明所提方案的不同之处在于：
8.1.本发明考虑到的影响因素包括椭圆旋转磁化现象、直流偏磁现象、小磁滞回环现象和pwm谐波电流。
9.2.本发明的研究对象是定子永磁式电机；
10.本发明的研究方法是：首先选取代表点用于分析铁心内的磁密变化规律；接着通过仿真得到椭圆磁化轨迹图；对椭圆谐波磁场分解；求出各次椭圆形谐波长轴与短轴上的磁密幅值和直流偏磁幅值；最终通过所提出的公式计算铁耗。


技术实现要素：

11.为克服传统电机铁耗计算方法考虑因素较少，结果不够精确的缺陷，本发明提出一种尤其针对定子永磁式电机并考虑到椭圆旋转磁化现象、直流偏磁现象、小磁滞回环现象和pwm谐波电流的影响的新型铁耗计算方法
12.为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
13.一种新型定子永磁式电机铁耗计算方法，其特征在于：包含以下步骤：
14.步骤1：选取代表点，
15.在电机的定子铁心和转子铁心上选取代表点；
16.步骤2：得到椭圆磁化轨迹图，
17.通过ansysmaxwell软件仿真求解每个代表点切向和径向磁密随转子位置变化的波形图，并且得到每个代表点径向磁密与切向磁密之间的变化关系的椭圆磁化轨迹图；
18.步骤3：椭圆谐波磁场分解，
19.对每个代表点的不规则椭圆形磁场，借助谐波分析原理，将其分解成一系列的椭圆形谐波磁密矢量；
20.步骤4：求出bm与δb，
21.对各次椭圆形谐波磁场均采用2个相互正交的交变磁化来等效，即将椭圆磁密分解为长轴与短轴方向进行铁耗计算，再依次求出各次椭圆形谐波长轴与短轴上的磁密幅值bm和直流偏磁幅值δb；
22.步骤5：计算铁耗，
23.将每个代表点的各次椭圆形谐波的bm与δb依次代入铁耗计算公式求解得到每个代表点的铁耗密度值，取每个代表点的平均值即为电机铁耗密度，将铁耗密度最后乘以铁耗体积，即为铁耗，铁耗计算公式为：
[0024][0025]
其中，p
fe
为总铁耗密度；ph为磁滞损耗密度；pe为涡流损耗密度；kh为磁滞损耗系数；ke为涡流损耗系数；f是基波频率，vf则为v次椭圆谐波频率；b
mmv
和b
mnv
分别为v次椭圆谐波在长轴和短轴方向上的磁密幅值；δb
mv
和δb
nv
分别为v次椭圆谐波在长轴和短轴方向上的直流偏磁大小。
[0026]
作为本发明的优选技术方案：所述代表点选取有七个，分别代表定子齿尖、定子齿
中、定子齿连轭部、定子轭、转子齿尖、转子齿连轭部和转子轭。
[0027]
作为本发明的优选技术方案：所述定子齿尖上存在有直流偏磁感应现象，所述转子齿尖存在有小磁滞回环现象，在铁芯中存在有椭圆旋转磁化现象。
[0028]
作为本发明的优选技术方案：所述铁耗计算方法计及了椭圆旋转磁化现象对铁耗的影响。
[0029]
作为本发明的优选技术方案：所述铁耗计算方法计及了直流偏磁现象对铁耗的影响。
[0030]
作为本发明的优选技术方案：当直流偏磁只影响磁滞损耗时，磁滞损耗密度ph和直流偏磁感应δb之间的近似关系表示为：
[0031]
ph(δb)＝p
h0
ε(δb)
[0032]
ε(δb)＝1+k
dc
δb
β
+k
l
δb2[0033]
式中，ph(δb)和p
h0
分别是有和无直流偏置磁化感应影响的磁滞损耗，k
dc
、k
l
和β是无物理意义的系数，通过非线性拟合分别等于0.4575、0.376和5.5975，通过上式可以看出直流偏置磁化对铁耗计算的影响可以通过ε(δb)来计及。
[0034]
作为本发明的优选技术方案：所述铁耗计算方法计及了小磁滞回环现象对铁耗的影响。
[0035]
作为本发明的优选技术方案：所述铁耗计算方法计及了pwm谐波电流对铁耗的影响。
[0036]
本发明提出的新型定子永磁式电机铁耗计算方法通过考虑到多种因素的影响，包括：椭圆旋转磁化现象、直流偏磁现象、小磁滞回环现象和pwm谐波电流，提高了铁耗模型计算的准确性，为电机的设计与优化提供指导。
[0037]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0038]
(1)本发明提出的铁耗计算方法相对于传统铁耗计算方法考虑到多种因素的影响，计算准确性有所提高。
[0039]
(2)本发明提出的铁耗计算方法易于理解，方便操作，计算过程简便，计算用时较少。
[0040]
(3)本发明提出的铁耗计算方法可以用于所有电机的铁耗计算，不仅仅可以用于定子永磁式电机。
[0041]
(4)本发明提出的铁耗计算方法可以计算电机空载和负载两种工况下的铁耗值。
附图说明
[0042]
图1为本发明的逻辑结构示意图；
[0043]
图2为本发明实例的典型点位置图和磁密变化波形；
[0044]
图3为本发明实例的典型点磁密变化轨迹；
[0045]
图4为本发明实例的转子齿尖的椭圆谐波分解图；
[0046]
图5为椭圆形旋转磁化的示意图；
[0047]
图6为直流偏磁现象和小磁滞回环现象示意图；
[0048]
图7为pwm谐波电流对铁心磁密的影响示意图；
[0049]
图8为子椭圆磁场及其谐波分解示意图。
[0050]
附图标记列表：1、定子齿尖；2、定子齿中；3、定子齿连轭部；4、定子轭；5、转子齿尖；6、转子齿连轭部；7、转子轭。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
[0052]
本发明提出了一种新型定子永磁式电机铁耗计算方法，包括有如下步骤：
[0053]
步骤1：选取代表点，
[0054]
结合图2，以定子永磁式电机代表之一磁通反向电机为例，在电机的定子铁心和转子铁心上选取一些代表点用于分析铁心内的磁密变化规律。图2中的点1-7分别代表定子齿尖1、定子齿中2、定子齿连轭部3、定子轭4、转子齿尖5、转子齿连轭部6和转子轭7。
[0055]
步骤2：得到椭圆磁化轨迹图，
[0056]
通过ansysmaxwell软件仿真求解每个代表点切向和径向磁密随转子位置变化的波形图，如图2所示，并且得到每个代表点径向磁密与切向磁密之间的变化关系的椭圆磁化轨迹图，如图3所示。
[0057]
根据图2和图3可以总结出结论：
[0058]
(1)定子齿尖1上明显存在直流偏磁感应现象；
[0059]
(2)转子齿尖5存在一些小磁滞回环；
[0060]
(3)铁芯中广泛存在椭圆旋转磁化现象。
[0061]
步骤3：椭圆谐波磁场分解，
[0062]
对不规则椭圆形磁场，借助谐波分析原理，将其分解成一系列的椭圆形谐波磁密矢量，如图4所示。
[0063]
步骤4：求出bm与δb，
[0064]
对各次椭圆形谐波磁场均采用2个相互正交的交变磁化来等效，即将椭圆磁密分解为长轴与短轴方向进行铁耗计算，依次求出各次椭圆形谐波长轴与短轴上的磁密幅值bm和直流偏磁幅值δb。
[0065]
步骤5：计算铁耗，
[0066]
将每个点的各次椭圆形谐波的bm与δb依次代入铁耗计算公式求解得到每个点的铁耗密度值，取每个点的平均值即为电机铁耗密度，将铁耗密度最后乘以铁耗体积即为铁耗，铁耗计算公式为：
[0067][0068]
其中，p
fe
为总铁耗密度；ph为磁滞损耗密度；pe为涡流损耗密度；kh为磁滞损耗系数；ke为涡流损耗系数；f是基波频率，vf则为v次椭圆谐波频率；b
mmv
和b
mnv
分别为v次椭圆谐波在长轴和短轴方向上的磁密幅值；δb
mv
和δb
nv
分别为v次椭圆谐波在长轴和短轴方向上的直流偏磁大小。
[0069]
在本实施例中：所述铁耗计算方法计及了椭圆旋转磁化现象对铁耗的影响。
[0070]
铁磁材料有交变磁化和旋转磁化2种磁化方式，旋转磁化又分为圆形旋转磁化和椭圆形旋转磁化。交变磁化的磁场方向不变，大小随时间变化；圆形旋转磁化的磁场大小不变，磁化方向随时间变化；对于椭圆形磁化，大小和磁化方向均随时间变化。椭圆形旋转磁化的示意图如图5所示，从图5中可以看出，椭圆的长轴和短轴与径向和切向不重合。为了保证铁耗计算的准确性，将椭圆形磁化轨迹沿长轴和短轴分解并分别计算铁铁耗更为合理。磁化椭圆的长轴方向定义为旋转磁化轨迹上绝对值最大的磁通密度点与原点之间的直线方向，而短轴方向是垂直于长轴的方向。b
maj
和b
min
分别是长轴和短轴方向上的磁通密度振幅。
[0071]
在现有技术中的铁耗计算中，k.yamazaki提出了一种磁滞回线叠加计算方法，表达式为：
[0072][0073][0074]
其中b
rm
和b
tm
分别是每个磁滞回线的在径向和切向上的磁密幅值。nr和n
t
分别是径向和切向分量的磁滞回线总数。在yamazaki的模型中，磁通密度轨迹沿径向和切向分解以进行计算，如图4所示，这会降低铁损计算的准确性。因此，本发明通过沿长轴和短轴分解来计算，表达式转化为
[0075][0076][0077]
通过将椭圆旋转磁化轨迹分解为长轴与短轴方向进行求解铁耗，比传统的将磁密分解为径向与切向进行求解更加准确。
[0078]
在本实施例中：所述铁耗计算方法计及了直流偏磁现象对铁耗的影响。
[0079]
直流偏磁现象如图6所示，由于交变的磁密中存在直流偏磁，对应的磁滞回环会发生畸变，对应的磁滞损耗会增加。一般认为，直流偏磁只影响磁滞损耗，磁滞损耗密度ph和直流偏磁感应δb之间的近似关系表示为：
[0080]
ph(δb)＝p
h0
ε(δb)
[0081]
ε(δb)＝1+k
dc
δb
β
+k
l
δb2[0082]
式中，ph(δb)和p
h0
分别是有和无直流偏置磁化感应影响的磁滞损耗。k
dc
、k
l
和β是无物理意义的系数，通过非线性拟合分别等于0.4575、0.376和5.5975。通过上式可以看出直流偏置磁化对铁耗计算的影响可以通过ε(δb)来计及。
[0083]
在本实施例中：所述铁耗计算方法计及了小磁滞回环现象对铁耗的影响。
[0084]
由于定子永磁式电机采用的是双凸极结构，齿槽效应显著，铁芯(特别是转子齿)内的磁通密度波形严重畸变，导致出现小磁滞回环，如图6所示。
[0085]
在本实施例中：所述铁耗计算方法计及了pwm谐波电流对铁耗的影响。
[0086]
逆变器供电的高速永磁无刷电机由于pwm调制，使得定子电流中含有高频的电流谐波，高频的谐波电流会增加铁心损耗。
[0087]
如图7所示，与空载条件和正弦电流输入相比，逆变器注入的畸变电流可以产生更多较小的磁滞回环，从而产生额外的磁滞损耗。pwm载波引起的磁通密度谐波也会产生额外的涡流损耗。
[0088]
为了能够快速、方便且准确的求得各个小磁滞回环的个数与相应的幅值，借助谐波分析原理，可以将不规则椭圆形磁场分解成一系列的椭圆形谐波磁密矢量，如图8所示。对各次椭圆形谐波磁场均沿着长轴与短轴方向采用2个相互正交的交变磁化来等效，并且考虑到直流偏磁影响ε(δb)，铁耗计算公式为：
[0089][0090]
综上所述，本发明提出的新型定子永磁式电机铁耗计算方法通过考虑到多种因素的影响，包括：椭圆旋转磁化现象、直流偏磁现象、小磁滞回环现象和pwm谐波电流，提高铁耗模型计算准确性，为电机的设计与优化提供指导。
[0091]
与现有技术相比，本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0092]
(1)本发明提出的铁耗计算方法相对于传统铁耗计算方法考虑到多种因素的影响，计算准确性有所提高。
[0093]
(2)本发明提出的铁耗计算方法易于理解，方便操作，计算过程简便，计算用时较少。
[0094]
(3)本发明提出的铁耗计算方法可以用于所有电机的铁耗计算，不仅仅可以用于定子永磁式电机。
[0095]
(4)本发明提出的铁耗计算方法可以计算电机空载和负载两种工况下的铁耗值。
[0096]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。