一种基于数据库的开关磁阻电机优化设计方法

本发明涉及电机，尤其涉及一种基于数据库的开关磁阻电机设计方法。

背景技术：

1、开关磁阻电机结构简单，成本低廉，可靠性高，调速性能好被学术界和工业界广泛关注。但是在电机设计阶段往往依赖于经验参数的选择与调试，费时费力。因此寻求一种简便、快捷、使用较少经验参数的设计方法显得极为重要。

2、使用迭代算法对参数进行优化的传统电机设计方法存在明显的缺陷，如难以考虑铁耗、过分依赖经验参数、迭代步骤繁琐、难以实现不同结构的电机比较等。在常规开关磁阻电机设计中，往往需要使用较多的经验参数进行初步选型，这使得电机设计过程变得复杂。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种基于数据库的开关磁阻电机优化设计方法，在考虑铁耗和热效应的同时实现短时间内处理大量数据且不依赖经验参数，从而在尽可能减少经验参数使用，减少过多优化迭代的情况下，让电机设计人员能够快速设计出具有高效率、高转矩密度等特点的开关磁阻电机，使电机设计过程变得更为快速、全面、高效。

2、本发明的技术方案为：

3、所述一种基于数据库的开关磁阻电机优化设计方法，包括以下步骤：

4、步骤1：确定待设计的目标电机的性能参数和材料，所述性能参数包括电机的目标额定功率pn、额定转速n、直流电源电压udc；

5、设定气隙g、转子叠层长度lstk、电机的目标额定转矩tdesign以及电机结构参数的初始值，并设定定子槽-极距横截面积比stpr的范围以及转子直径d的范围；所述电机结构参数包括定子相数、转子相数以及极对数p；

6、步骤2：根据步骤1中确定的目标电机的性能参数和材料，使用电机广义单相模型分析电机磁特性，对步骤1设定的气隙g和电机结构参数进行调整，并确定转子直径d以及面积比stpr；建立包含气隙g，电机结构参数、转子直径d、面积比stpr、磁特性的开关磁阻电机数据库；所述磁特性由电机磁通φ(θ,θ)和转矩t(θ,θ)来表示，其中θ表示磁动势，θ表示转子位置；

7、步骤3：基于步骤2得到的开关磁阻电机数据库，通过最大磁共能环控制法确定电机定子极磁通φ和磁动势θ的动态波形；

8、步骤4：根据步骤3得到的θ和ф动态波形，计算电机铁耗piron；

9、步骤5：根据电机定子尺寸计算电机定子部分等效热阻，并搭建考虑步骤4得到的电机铁耗piron的集总参数热网络lptn；

10、步骤6：根据目标额定功率pn、步骤4得到的铁耗piron以及步骤5中lptn网络中的铜耗pcu对步骤1中设定的叠层长度lstk、目标额定转矩tdesign进行矫正，得到矫正后的转矩、叠层长度和铁耗以及铜耗；

11、步骤7：利用步骤6得到的矫正结果返回步骤2，根据设定的优化目标对步骤2建立的电机数据库中的电机设计方案进行迭代，当达到设定优化目标时结束迭代，得到最终设计方案。

12、进一步的，步骤2中，通过电机广义单相模型确定磁路，得到定转子对齐位置和非对齐位置的磁链特性曲线，根据磁链特性曲线计算电机磁特性得到电机输出转矩tn，进而确定当前最佳气隙。

13、进一步的，所述定转子对齐位置和非对齐位置的磁链特性曲线包括定转子对齐位置和非对齐位置的归一化磁密曲线bn-θ和bun-θ，以及归一化磁通曲线фn-θ和фun-θ，其中bn和фn为对齐位置的归一化磁密和磁通，bun和фun为非对齐位置的归一化磁密和磁通。

14、进一步的，对齐位置的归一化磁密曲线bn-θ和磁通曲线фn-θ根据公式确定：

15、

16、其中，μiron(bn)为铁磁导率μiron关于磁密bn的函数，μ0为气隙磁导率，ls为等效磁路长度，arg为转子气隙截面积；

17、非对齐位置的气隙gun＝kun·g，kun为非对齐位置气隙系数，根据公式

18、

19、确定非对齐位置的归一化磁密曲线bun-θ和磁通曲线фun-θ。

20、进一步的，步骤2中，输出转矩tn表达式为：

21、

22、其中，磁共能wco由фn-θ和фun-θ曲线中从零点到磁动势峰值θpeak处的积分表示：

23、wco＝∫(ψn-ψun)dθ

24、继而得到每个θ运行点处最大输出转矩的tn-θ曲线，其中，先排除曲线下降段中使tn达到最大值时，θ已超过最大允许电流密度的tn-θ曲线，然后在剩下的曲线中选择下降段tn最大的曲线对应的气隙确定为当前最佳气隙。

25、进一步的，步骤2中，分析不同定子相数ns下的tn-θ曲线，首先排除曲线下降段中使tn达到最大值时θ已超过最大允许电流密度的tn-θ曲线，在剩下的曲线中选择下降段tn最大的曲线对应的ns，根据ns＝2p·nph确定p，其中nph为设定的定转子相数，再根据nr＝2p·(nph-1)确定转子相数nr。

26、进一步的，步骤2中，面积比stpr根据公式

27、

28、确定，其中apitch为定子极距截面积，apole为定子极截面积：

29、

30、

31、r1为定子半径，r2为定子槽半径，βs取值为

32、进一步的，步骤2中，转子直径d根据转子齿顶宽br，tip、转子极高最小值hpole，r，min、转子磁轭厚度wr，yoke以及转子轴径rsh确定：

33、

34、hpole,r,min＝0.7br,tip

35、

36、rsh＝r0-wr,yoke

37、其中fr，yoke表示转子磁轭尺寸系数，r0表示转子槽半径。

38、进一步的，步骤5中，电机定子部分等效热阻包括定子极热阻、定子磁轭热阻、绕组热阻、热界面热阻。

39、进一步的，步骤6的具体过程为：

40、考虑铁耗后的矫正转矩tca：

41、

42、其中，pn是目标功率，piron是铁耗；为了保证电机转矩达到目标值，需要对叠层长度lstk进行矫正，得到矫正后的叠层长度lstk，ca：

43、

44、计算电机矫正铁耗piron，ca和矫正铜耗pcu，ca：

45、

46、

47、其中，irms为相电流有效值，ρcu表示铜的电阻率，wsp表示定子极宽，acoil表示线圈面积。

48、有益效果

49、相比于传统设计方法只考虑电流密度，本发明在设计过程中考虑了铁耗和热效应，而且本发明中电机尺寸的确定过程主要通过计算公式和限制条件实现，只在最初初步设定中使用了经验参数，从而能够减少试错的过程。本发明建立了开关磁阻电机数据库，数据库建立前期已经排除了部分参数，只需在数据库中进行迭代寻优，大大简化了优化计算步骤。

50、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。