一种同步磁阻电机转矩脉动计算方法及应用

1.本技术涉及电机技术领域，更具体地，涉及一种同步磁阻电机转矩脉动计算方法、一种同步磁阻电机转矩脉动计算装置、一种电子设备和一种计算机可读存储介质。


背景技术：

2.同步磁阻电机结构简单、造价低廉、可靠性高的优点，但其转子dq轴电感差异大的特点导致其转矩脉动大，在进行设计与优化时需要减小转矩脉动。现有技术在计算转矩脉动时均采用有限元仿真分析，为降低转矩脉动需要采用田口法等扫描优化方法，需要大量的仿真时间，设计周期长、效率低，并且缺少电机结构与转矩的直观联系。
3.为解决上述问题，如公开号为cn106712620a的中国专利公开了永磁同步电机转矩计算方法及装置，该方法根据电机控制器开关管的占空比、母线电压、电机三相电流计算出电机的两相静止坐标系下的电压，并将电机三相电流进行坐标变换得到两相静止坐标系下的电流，根据两相静止坐标系下的电压和电流采用磁链mras方法得到转子坐标系下的磁链和电流，根据转子坐标系下的磁链和电流计算得出电机的转矩。
4.但是，上述方法仅针对与永磁同步电机，不适用于同步磁阻电机，且存在计算模型复杂，无法直观表现电机结构对转矩脉动大小的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种同步磁阻电机转矩脉动计算方法、装置和电子设备以及计算机可读存储介质，旨在解决基于传统电机磁阻计算方法存在计算模型复杂，无法直观表现电机结构对转矩脉动大小影响的问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种同步磁阻电机转矩脉动计算方法，包括：获取同步磁阻电机定子的每槽电流并计算沿气隙圆周的定子电流密度分布，根据所述定子电流密度分布计算沿气隙圆周的磁动势分布；根据所述定子电流密度分布估计转子磁障端部磁感应强度，根据所述磁障端部磁感应强度和转子尺寸参数计算磁障端部磁阻密度分布；根据定子尺寸参数和空间磁导率计算齿槽磁阻密度分布，并根据所述磁障端部磁阻密度分布和所述齿槽磁阻密度分布进行叠加运算，得到沿气隙圆周的总磁阻分布；根据所述总磁阻分布计算转矩相对大小，并根据所述转矩相对大小随转动时间的变化关系计算得到转矩脉动。
7.在本发明的一个实施例中，所述获取同步磁阻电机定子的每槽电流并计算沿气隙圆周的定子电流密度分布，包括：建立定子三相电流瞬时表达式，根据所述三相电流瞬时表达式和电机各槽向绕组分布位置计算得到所述每槽电流；根据所述每槽电流在槽内沿气隙圆周均匀分布的方式计算得到所述定子电流密度分布。
8.在本发明的一个实施例中，所述根据所述磁障端部磁感应强度和转子尺寸参数计算磁障端部磁阻密度分布，包括：根据转子铁芯b-h曲线和所述磁障端部磁感应强度确定磁
障端部磁感应强度，并根据磁障端部尺寸参数计算所述磁障端部磁阻为：其中，l为磁障端部长度；b为磁障端部磁感应强度；h为磁障端部厚度；h为根据b-h曲线确定的磁障端部磁场强度；根据所述磁障端部磁阻沿气隙圆周均匀分布的方式计算得到所述磁障端部磁阻密度分布。
9.在本发明的一个实施例中，所述根据定子尺寸参数和空间磁导率计算齿槽磁阻密度分布，包括：根据齿槽空气长度和气隙宽度计算齿槽磁阻密度为：其中，l0为定子内径与转子外径的距离，ls为绕组下边界与转子外径的距离；μ为空气的相对磁导率；μ0为真空磁导率。
10.在本发明的一个实施例中，所述根据所述总磁阻分布计算转矩相对大小，并根据所述转矩相对大小随转动时间的变化关系计算得到转矩脉动，包括：计算所述转矩相对大小为：其中，f为沿气隙圆周的磁动势分布，r为沿气隙圆周的总磁阻分布，i为沿气隙圆周的定子电流密度分布；计算所述转矩脉动为：其中，t
max
、t
min
和t
avg
分别为所述转动时间内所述转矩相对大小的最大值、最小值和平均值。
11.按照本发明的第二个方面，还提供了一种同步磁阻电机转矩脉动计算装置，其包括：磁动势分布计算模块，用于获取同步磁阻电机定子的每槽电流并计算沿气隙圆周的定子电流密度分布，根据所述定子电流密度分布计算沿气隙圆周的磁动势分布；磁障端部磁阻密度计算模块，用于根据所述定子电流密度分布估计转子磁障端部磁感应强度，根据所述磁障端部磁感应强度和转子尺寸参数计算磁障端部磁阻密度分布；总磁阻分布计算模块，用于根据定子尺寸参数和空间磁导率计算齿槽磁阻密度分布，并根据所述磁障端部磁阻密度分布和所述齿槽磁阻密度分布进行叠加运算，得到沿气隙圆周的总磁阻分布；转矩脉动计算模块，根据所述总磁阻分布计算转矩相对大小，并根据所述转矩相对大小随转动时间的变化关系计算得到转矩脉动。
12.在本发明的一个实施例中，所述磁障端部磁阻密度计算模块具体用于：根据转子铁芯b-h曲线和所述磁障端部磁感应强度确定磁障端部磁感应强度，并根据磁障端部尺寸参数计算所述磁障端部磁阻为：其中，l为磁障端部长度；b为磁障端部磁感应强度；h为磁障端部厚度；h为根据b-h曲线确定的磁障端部磁场强度；根据所述磁障端部磁阻沿气隙圆周均匀分布的方式计算得到所述磁障端部磁阻密度分布。
13.在本发明的一个实施例中，所述总磁阻分布计算模块具体用于：根据齿槽空气长
度和气隙宽度计算齿槽磁阻密度为：其中，l0为定子内径与转子外径的距离，ls为绕组下边界与转子外径的距离；μ为空气的相对磁导率；μ0为真空磁导率。
14.按照本发明的第三个方面，还提供了一种电子设备，其包括至少一个处理单元、以及至少一个存储单元，其中，所述存储单元存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元执行上述中任一个实施例所述方法的步骤。
15.按照本发明的第四个方面，还提供了一种计算机可读存储介质，其存储有可由访问认证设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在访问认证设备上运行时，使得所述访问认证设备执行上述中任一个实施例所述方法的步骤。
16.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果：
17.通过计算电机定子沿着气隙圆周的电流密度分布和磁动势分布估计转子磁障端部磁感应强度，结合转子自身尺寸参数计算得到磁障端部磁阻密度分布，并根据定子自身尺寸参数和空间磁导率计算齿槽磁阻密度分布，以此实现对磁阻电机沿气隙圆周的总磁阻分布的简化计算，能够直观反映同步磁阻电机不同转子结构的对转矩脉动的影响，相比于使用磁链法而言能够大幅降低计算复杂度，同时保证较好的计算精度。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本技术实施例提供的一种同步磁阻电机转矩脉动计算方法的流程图；
20.图2为本技术实施例提供的沿气隙圆周的电流密度和磁动势分布示意图；
21.图3为本技术实施例提供的转子剖面结构示意图；
22.图4为本技术实施例提供的沿气隙圆周的磁障端部磁阻密度分布示意图；
23.图5为本技术实施例提供的定子剖面结构示意图；
24.图6为本技术实施例提供的沿气隙圆周的齿槽磁阻密度分布示意图；
25.图7为本技术实施例提供的一种同步磁阻电机转矩脉动计算装置的结构示意图；
26.图8为本技术实施例提供的一种电子设备的结构示意图；
27.图9为本技术实施例提供的一种计算机可读存储介质的结构示意图。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
29.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是
用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
30.如图1所示，本发明第一实施例提出一种同步磁阻电机转矩脉动计算方法，例如包括：步骤s1，获取同步磁阻电机定子的每槽电流并计算沿气隙圆周的定子电流密度分布，根据所述定子电流密度分布计算沿气隙圆周的磁动势分布；步骤s2，根据所述定子电流密度分布估计转子磁障端部磁感应强度，根据所述磁障端部磁感应强度和转子尺寸参数计算磁障端部磁阻密度分布；步骤s3，根据定子尺寸参数和空间磁导率计算齿槽磁阻密度分布，并根据所述磁障端部磁阻密度分布和所述齿槽磁阻密度分布进行叠加运算，得到沿气隙圆周的总磁阻分布；步骤s4，根据所述总磁阻分布计算转矩相对大小，并根据所述转矩相对大小随转动时间的变化关系计算得到转矩脉动。
31.在步骤s1中，先确定同步磁阻电机定子的每槽电流，例如建立定子三相电流瞬时表达式为：
[0032][0033]
其中，ia、ib、ic分别定子a、b、c相电流；a
p
为相电流幅值；ω为同步角速度；θ为初始电流角。
[0034]
根据三相电流瞬时表达式和电机各槽向绕组分布位置即可计算得到定子每槽电流。结合图2所示，例如认为各槽电流在槽内沿气隙圆周均匀分布，可求解沿气隙圆周的定子电流密度分布i；并以每槽中心线为磁动势上升或下降的边界，根据各槽电流大小和方向可求解沿气隙圆周的磁动势分布f。
[0035]
在步骤s2中，如图3所示，对转子磁阻的求解步骤如下：
[0036]
首先估计磁障端部磁感应强度b，例如以计算得到的定子电流密度分布为激励，通过有限元仿真粗略计算，b取磁障端部仿真得到的磁感应强度平均值，并在改变磁障位置、层数等过程中认为磁感应强度b不发生变化。
[0037]
接着，根据电机转子铁芯材料的b-h曲线计算磁障端部横向磁阻rd，可表示为：
[0038][0039]
其中，l为磁障端部长度；b为估计的磁障端部磁感应强度；h为磁障端部厚度；h为根据b-h曲线确定的磁障端部磁场强度。
[0040]
结合图4所示，例如假定磁障端部磁阻均匀分布，磁障端部磁阻密度沿气隙圆周线性分布，即可求解沿气隙圆周的磁障端部磁阻密度分布。
[0041]
在步骤s3中，如图5和图6所示，对定子磁阻的求解步骤如下：
[0042]
例如根据齿槽空气长度ls与气隙宽度l0计算齿槽磁阻密度rs，可表示为：
[0043][0044]
其中，l0为定子内径与转子外径的距离，即气隙宽度；ls为绕组下边界与转子外径的距离，即齿槽空气长度；μ为空气的相对磁导率；μ0为真空磁导率。
[0045]
接着，求解总磁阻沿气隙圆周的分布，例如不计铁芯磁阻，根据计算得到的所述磁障端部磁阻密度分布和所述齿槽磁阻密度分布进行叠加运算，得到沿气隙圆周的总磁阻分布r，可表示为：
[0046]
r＝rd+rs[0047]
在步骤s4中，例如根据计算得到的总磁阻分布r求解转矩相对大小随时间的变化，以求解转矩脉动，具体步骤如下：
[0048]
计算相对转矩t，可表示为：
[0049][0050]
其中，f为沿气隙圆周的磁动势分布，r为沿气隙圆周的总磁阻分布，i为沿气隙圆周的定子电流密度分布。
[0051]
计算转矩脉动η，可表示为：
[0052][0053]
其中，t
max
、t
min
和t
avg
分别为所述转动时间内所述转矩相对大小的最大值、最小值和平均值。
[0054]
下面结合现有技术中的电机转矩计算方法对实施例提供的同步磁阻电机转矩脉动计算方法的有益效果进行说明：
[0055]
传统求解磁阻的方法针对电机转子建立多条磁路模型，若该方法应用于磁阻电机中，结合图3中所示，其根据每一磁障区域都建立一条磁路模型计算对应的磁阻密度分布，该方式求解精度较高，但是计算模型十分复杂，实际应用中可能需要求解数十个磁路方程，计算难度大。
[0056]
在实施例提供的同步磁阻电机转矩脉动计算方法中，通过简化处理的方法计算电机磁阻沿气隙圆周的密度分布，结合定子电流与磁动势分布计算相对转矩大小，进而计算转矩脉动大小，能够直观反映同步磁阻电机不同转子结构的对转矩脉动的影响，同时计算模型简单，在同步磁阻电机设计时能够大大减少仿真计算量。
[0057]
另外，如图7所示，本发明第二实施例提出一种同步磁阻电机转矩脉动计算装置20，例如包括：磁动势分布计算模块201，磁障端部磁阻密度计算模块202、总磁阻分布计算模块203和转矩脉动获取模块204。
[0058]
其中，磁动势分布计算模块201用于获取同步磁阻电机定子的每槽电流并计算沿气隙圆周的定子电流密度分布，根据所述定子电流密度分布计算沿气隙圆周的磁动势分
布。磁障端部磁阻密度计算模块202用于根据所述定子电流密度分布估计转子磁障端部磁感应强度，根据所述磁障端部磁感应强度和转子尺寸参数计算磁障端部磁阻密度分布。总磁阻分布计算模块203用于根据定子尺寸参数和空间磁导率计算齿槽磁阻密度分布，并根据所述磁障端部磁阻密度分布和所述齿槽磁阻密度分布进行叠加运算，得到沿气隙圆周的总磁阻分布。转矩脉动计算模块204用于根据所述总磁阻分布计算转矩相对大小，并根据所述转矩相对大小随转动时间的变化关系计算得到转矩脉动。
[0059]
在一个实施方式中，磁障端部磁阻密度计算模块202例如具体用于：根据转子铁芯b-h曲线和所述磁障端部磁感应强度确定磁障端部磁感应强度，并根据磁障端部尺寸参数计算所述磁障端部磁阻为：其中，l为磁障端部长度；b为磁障端部磁感应强度；h为磁障端部厚度；h为根据b-h曲线确定的磁障端部磁场强度；根据所述磁障端部磁阻沿气隙圆周均匀分布的方式计算得到所述磁障端部磁阻密度分布。
[0060]
在一个实施方式中，总磁阻分布计算模块203例如具体用于：根据齿槽空气长度和气隙宽度计算齿槽磁阻密度为：其中，l0为定子内径与转子外径的距离，ls为绕组下边界与转子外径的距离；μ为空气的相对磁导率；μ0为真空磁导率。
[0061]
值得一提的是，本发明第二实施例公开的同步磁阻电机转矩脉动计算装置20所实现的方法如前述第一实施例中所述，故在此不再进行详细讲述。可选地，第二实施例中的各个模块和上述其他操作或功能分别为了实现第一实施例所述的同步磁阻电机转矩脉动计算方法，且本实施例的有益效果同前述第一实施例的有益效果相同，为了简洁，不在此赘述。
[0062]
如图8所示，本发明第三实施例还提出一种电子设备30，例如包括：至少一个处理单元31、以及至少一个存储单元32，其中，所述存储单元32存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理单元执行时，使得所述处理单元执行如第一实施例所述的方法，且本实施例提供的电子设备30的有益效果与第一实施例提供的同步磁阻电机转矩脉动计算方法的有益效果相同。
[0063]
如图9所示，本发明第三实施例还提供一种计算机可读存储介质40，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤，且本实施例提供的计算机可读存储介质的有益效果与第一实施例提供的同步磁阻电机转矩脉动计算方法的有益效果相同。
[0064]
其中，计算机可读存储介质可以包括但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、dvd、cd-rom、微型驱动器以及磁光盘、rom、ram、eprom、eeprom、dram、vram、闪速存储器设备、磁卡或光卡、纳米系统(包括分子存储器ic)，或适合于存储指令和/或数据的任何类型的媒介或设备。
[0065]
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知
悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本技术所必须的。
[0066]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0067]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些服务接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
[0068]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0069]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0070]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本技术各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：u盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0071]
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通进程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储器中，存储器可以包括：闪存盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取器(random access memory，ram)、磁盘或光盘等。
[0072]
以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
[0073]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0074]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。