CN103279607A - 一种计算永磁电动机气隙磁通密度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种计算永磁电动机气隙磁通密度的方法，属于电动机技术领域，包括以下步骤：根据永磁电动机物理模型，分别建立周向磁路计算模型、径向磁路计算模型，并对永磁电动机周向磁路气隙磁场和径向磁路气隙磁场分别进行电磁场求解，得到周向和径向磁路气隙磁通密度分布曲线，引入周向权数和径向权数，并结合周向权数和径向权数计算电动机气隙磁通密度。本发明的方法不受电动机结构形式、尺寸限制，而且计算准确，适合于永磁电动机的设计与分析。

Description

一种计算永磁电动机气隙磁通密度的方法

技术领域

本发明属于电动机技术领域，具体涉及一种计算永磁电动机气隙磁通密度的方法。

背景技术

永磁电动机广泛应用于工农业各领域，设计出满足性能要求的电动机是设计者的基本要求。气隙磁通密度是永磁电动机电磁设计最重要的参数之一，准确的计算气隙磁通密度不但可以提高永磁电动机设计效率、减少试制次数，而且能够减少设计和制造成本。

目前，气隙磁通密度的计算主要方法有等效磁路法，算法简单，但许多设计系数需要依靠经验取值，精度不高；解析法，关键在于建立正确的数学模型。一般仅适用于边界形状规则、媒质线性的场合。尤其是对于扁平式电动机，采用传统方法计算气隙磁通密度精度很差。近年来，随着有限元方法不断完善，采用有限元方法可以较准确的分析永磁电动机的电磁场。因此，借助有限元方法对永磁电动机气隙磁通密度进行计算，是一种行之有效的方法。利用有限元方法对电动机进行电磁场分析计算气隙磁通密度，有文献提出的利用径向极弧系数和周向极弧系数相加求平均值或相乘计算气隙磁通密度，对于某些特定结构尺寸的永磁电动机具有较好的精度，但具有一定局限性。

发明内容

本发明要解决现有永磁电动机气隙磁通密度计算不准确和通用性不强的问题，提出一种计算永磁电动机气隙磁通密度的方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种计算永磁电动机气隙磁通密度的方法，包括以下步骤：根据永磁电动机物理模型，分别建立周向磁路计算模型、径向磁路计算模型，并对永磁电动机周向磁路气隙磁场和径向磁路气隙磁场分别进行电磁场求解，得到周向和径向磁路气隙磁通密度分布曲线，引入周向权数和径向权数，并结合周向权数和径向权数计算电动机气隙磁通密度。

上述技术方案中，本发明的计算永磁电动机气隙磁通密度的方法的具体步骤为：

第I步：对永磁电动机周向磁路进行建模，进行电磁场求解，得到周向磁路气隙磁通密度分布曲线；

第II步：根据周向磁路气隙磁通密度分布曲线，计算周向磁路气隙磁通密度平均值B_{circ_av}，最大值B_{circ_max}，周向磁路极弧系数α_circ，其中

第III步：对永磁电动机径向磁路进行建模，进行电磁场求解，得到径向气隙磁通密度分布曲线；

第IV步：根据径向气隙磁通密度分布曲线，计算径向磁路气隙磁通密度平均值B_{rad_av}，最大值B_{rad_max}和径向磁路极弧系数α_rad；其中

第V步：计算加权气隙磁通密度最大值B_{weight_max}，其中 $B_{\mathrm{weight}\_\max }=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}{B}_{\mathrm{circ}\_\max }+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}{B}_{\mathrm{rad}\_\max }}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}}$

所述周向权数ω_circ=1；所述径向权数ω_rad等于电动机电枢直径与电枢长度的比值；

第VI步：计算加权极弧系数α_weight，其中 ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{weight}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{circ}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rad}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}};$

第VII步：计算电动机气隙磁通密度平均值B_av，其中B_av=B_{weight_max}α_weight。

上述技术方案中，所述气隙磁通密度的计算，是通过对周向磁路与径向磁路分别进行二维电磁场分析综合计算得到；或者是通过周向磁路气隙磁场与径向磁路气隙磁场进行二维电磁场分析加权计算得到。

上述技术方案中，所述二维电磁场分析采用有限元方法进行求解。

上述技术方案中，所述有限元方法通过有限元分析软件实现。

上述技术方案中，所述加权极弧系数α_weight是通过周向磁路极弧系数α_circ与径向磁路极弧系数α_rad加权计算得到。

上述技术方案中，在建立周向磁路计算模型和径向磁路计算模型之前，还包括步骤：将气隙平均分成N等分，N为2、3、4、5或6；周向、径向气隙磁通密度为N个位置上的磁通密度的平均值。

本发明具有以下的有益效果：

本发明的计算永磁电动机气隙磁通密度的方法，基于有限元方法进行电磁场分析，考虑电动机结构尺寸变化对气隙磁通密度的影响，引入周向权数和径向权数来表征电枢尺寸变化的影响来计算气隙磁通密度。本发明的方法不受电动机结构形式、尺寸限制，而且计算准确，适合于永磁电动机的设计与分析。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的计算永磁电动机气隙磁通密度的方法的流程图；

图2是径向磁场永磁电动机周向磁路磁场计算模型；

图3是径向磁场永磁电动机径向磁路磁场计算模型；

图4是轴向磁场永磁电动机径向磁路磁场计算模型；

图5是轴向磁场永磁电动机周向磁路磁场计算模型；

图中：1、磁轭，2、永磁体，3、气隙，4、铁芯，5、端盖。

具体实施方式

本发明的发明思想为，参照图1，根据电动机物理模型，分别建立周向磁路、径向磁路电动机二维计算模型，采用有限元方法进行电磁场分析，得到周向磁路气隙磁通密度分布曲线和径向磁路气隙磁通密度分布曲线，进而计算周向磁路气隙磁通密度最大值和周向磁路极弧系数，径向磁路气隙磁通密度最大值和径向磁路极弧系数。引入周向权数ω_axis和径向权数ω_rad，结合周向权数和径向权数计算电动机气隙磁通密度；具体步骤为：

第I步：对永磁电动机周向磁路进行建模，进行电磁场求解，得到周向磁路气隙磁通密度分布曲线；

第II步：根据周向磁路气隙磁通密度分布曲线，计算周向磁路气隙磁通密度平均值B_{circ_av}，最大值_{Bcirc_max}，周向磁路极弧系数α_circ，其中

第III步：对永磁电动机径向磁路进行建模，进行电磁场求解，得到径向气隙磁通密度分布曲线；

第IV步：根据径向气隙磁通密度分布曲线，计算径向磁路气隙磁通密度平均值B_{rad_av}，最大值B_{rad_max}和径向磁路极弧系数α_rad；其中

第V步：计算加权气隙磁通密度最大值B_{weight_max}，其中 $B_{\mathrm{weight}\_\max }=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}{B}_{\mathrm{circ}\_\max }+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}{B}_{\mathrm{rad}\_\max }}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}}$

所述周向权数ω_circ=1；所述径向权数ω_rad等于电动机电枢直径与电枢长度的比值；

第VI步：计算加权极弧系数α_weight，其中 ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{weight}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{circ}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rad}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}};$

第VII步：计算电动机气隙磁通密度平均值B_av，其中B_av=B_{weight_max}α_weight；

所述气隙磁通密度的计算是通过对周向磁路与径向磁路分别进行二维电磁场分析综合计算得到。

所述气隙磁通密度的计算是通过周向磁路气隙磁场与径向磁路气隙磁场进行二维电磁场分析加权计算得到。

所述电磁场分析采用有限元方法进行求解。

所述有限元方法通过有限元分析软件实现。

所述加权极弧系数是通过周向磁路气隙磁场极弧系数与径向磁路气隙磁场极弧系数加权计算得到。

对于具有大的气隙的永磁电动机，将大的气隙平均分成N等分，N为2、3、4、5或6；周向、径向气隙磁通密度为N个位置上的磁通密度的平均值。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

具体实施例1

如图2，对于径向磁场永磁电动机，建立周向磁路物理模型，为了减小计算量，仅建立一对磁极模型，设置边界条件、材料属性和充磁方向，利用有限元软件，如ANSYS、MAXWELL、COMSOL、FEKO等进行电磁场求解，将气隙平均分成2等分并取平均值，得到周向磁路气隙磁通密度分布曲线，同理，建立径向磁路物理模型，如图3，得到径向磁路气隙磁通密度分布曲线。

根据周向磁路气隙磁通密度分布曲线，计算周向磁路气隙磁通密度平均值B_{circ_av}，最大值B_{circ_max}，周向磁路极弧系数α_circ，其中

根据径向磁路气隙磁通密度分布曲线，计算径向磁路气隙磁通密度平均值B_{rad_av}，最大值B_{rad_max}和径向磁路极弧系数α_rad；其中

计算加权气隙磁通密度最大值B_{weight_max}，其中 $B_{\mathrm{weight}\_\max }=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}{B}_{\mathrm{circ}\_\max }+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}{B}_{\mathrm{rad}\_\max }}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}}$

所述周向权数ω_circ=1；所述径向权数ω_rad等于电动机电枢直径与电枢长度的比值；

计算加权极弧系数α_weight，其中 ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{weight}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{circ}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rad}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}};$

计算电动机气隙磁通密度平均值B_av，其中B_av=B_{weight_max}α_weight；

具体实施例2

如图4，对于轴向磁场永磁电动机，建立周向磁路物理模型，为了减小计算量，仅建立一对磁极模型，设置边界条件、材料属性和充磁方向，利用有限元软件，如ANSYS、MAXWELL、COMSOL、FEKO等进行电磁场求解，将气隙平均分成2等分并取平均值，得到周向磁路气隙磁通密度分布曲线，同理，如图5，建立径向磁路物理模型，得到径向磁路气隙磁通密度分布曲线。

根据周向磁路气隙磁通密度分布曲线，计算周向磁路气隙磁通密度平均值B_{circ_av}，最大值B_{circ_max}，周向磁路极弧系数α_circ，其中

根据径向磁路气隙磁通密度分布曲线，计算径向磁路气隙磁通密度平均值B_{rad_av}，最大值B_{rad_max}和径向磁路极弧系数α_rad；其中

计算加权气隙磁通密度最大值B_{weight_max}，其中 $B_{\mathrm{weight}\_\max }=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}{B}_{\mathrm{circ}\_\max }+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}{B}_{\mathrm{rad}\_\max }}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}}$

所述周向权数ω_circ=1；所述径向权数ω_rad等于电动机电枢直径与电枢长度的比值；

计算加权极弧系数α_weight，其中 ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{weight}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{circ}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rad}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}};$

计算电动机气隙磁通密度平均值B_av，其中B_av=B_{weight_max}α_weight；

具体实施例3

以径向磁场永磁电动机为例，建立电动机三维实体模型，为了减小计算量，仅建立一对磁极模型，设置边界条件、材料属性和充磁方向，利用有限元软件，如ANSYS、MAXWELL、COMSOL、FEKO等进行电磁场求解，将三维磁场计算结果沿圆周方向和轴向分别进行处理，其中气隙平均分成4等分并取平均值，从而得到周向磁路气隙磁通密度分布曲线和径向磁路气隙磁通密度分布曲线。

根据周向磁路气隙磁通密度分布曲线，计算周向磁路气隙磁通密度平均值B_{circ_av}，最大值B_{circ_max}，周向磁路极弧系数α_circ，其中

根据径向磁路气隙磁通密度分布曲线，计算径向磁路气隙磁通密度平均值B_{rad_av}，最大值B_{rad_max}和径向磁路极弧系数α_rad；其中

计算加权气隙磁通密度最大值B_{weight_max}，其中 $B_{\mathrm{weight}\_\max }=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}{B}_{\mathrm{circ}\_\max }+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}{B}_{\mathrm{rad}\_\max }}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}}$

所述周向权数ω_circ=1；所述径向权数ω_rad等于电动机电枢直径与电枢长度的比值；

计算加权极弧系数α_weight，其中 ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{weight}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{circ}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rad}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}};$

计算电动机气隙磁通密度平均值B_av，其中B_av=B_{weight_max}α_weight；

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种计算永磁电动机气隙磁通密度的方法，其特征在于，包括以下步骤：根据永磁电动机物理模型，分别建立周向磁路计算模型、径向磁路计算模型，并对永磁电动机周向磁路气隙磁场和径向磁路气隙磁场分别进行电磁场求解，得到周向和径向磁路气隙磁通密度分布曲线，引入周向权数和径向权数，并结合周向权数和径向权数计算电动机气隙磁通密度。

2.根据权利要求1所述的计算永磁电动机气隙磁通密度的方法，其特征在于,具体步骤为：

第I步：对永磁电动机周向磁路进行建模，进行电磁场求解，得到周向磁路气隙磁通密度分布曲线；

第II步：根据周向磁路气隙磁通密度分布曲线，计算周向磁路气隙磁通密度平均值B_{circ_av}，最大值B_{circ_max}，周向磁路极弧系数α_circ，其中

第III步：对永磁电动机径向磁路进行建模，进行电磁场求解，得到径向气隙磁通密度分布曲线；

第IV步：根据径向气隙磁通密度分布曲线，计算径向磁路气隙磁通密度平均值B_{rad_av}，最大值B_{rad_max}和径向磁路极弧系数α_rad；其中

第V步：计算加权气隙磁通密度最大值B_{weight_max}，其中 $B_{\mathrm{weight}\_\max }=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}{B}_{\mathrm{circ}\_\max }+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}{B}_{\mathrm{rad}\_\max }}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}}$

所述周向权数ω_circ=1；所述径向权数ω_rad等于电动机电枢直径与电枢长度的比值；

第VI步：计算加权极弧系数α_weight，其中 ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{weight}}=\frac{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{circ}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{rad}}}{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{circ}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{rad}}};$

第VII步：计算电动机气隙磁通密度平均值B_av，其中B_av=B_{weight_max}α_weight。

3.根据权利要求1或2所述的计算永磁电动机气隙磁通密度的方法，其特征在于,所述气隙磁通密度的计算，是通过对周向磁路与径向磁路分别进行二维或三维电磁场分析综合计算得到；或者是通过周向磁路气隙磁场与径向磁路气隙磁场进行二维或三维电磁场分析加权计算得到。

4.根据权利要求3所述的计算永磁电动机气隙磁通密度的方法，其特征在于,所述二维或三维电磁场分析采用有限元方法进行求解。

5.根据权利要求4所述的计算永磁电动机气隙磁通密度的方法，其特征在于,所述有限元方法通过有限元分析软件实现。

6.根据权利要求2所述的计算永磁电动机气隙磁通密度的方法，其特征在于,所述加权极弧系数α_weight是通过周向磁路极弧系数α_circ与径向磁路极弧系数α_rad加权计算得到。

7.根据权利要求1或2所述的计算永磁电动机气隙磁通密度的方法，其特征在于：在建立周向磁路计算模型和径向磁路计算模型之前，还包括步骤：将气隙平均分成N等分，N为2、3、4、5或6；周向、径向气隙磁通密度为N个位置上的磁通密度的平均值。

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