CN104063556A - 一种轴向永磁电机等效磁路模型的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向永磁电机等效磁路模型的建模方法，建模过程包括以下步骤：判别轴向永磁电机所属拓扑结构，明确电机定子、转子、永磁体、气隙各部分尺寸大小；利用有限元仿真软件对轴向永磁电机进行三维有限元分析，获取电机各部分磁通密度分布；将轴向永磁电机沿直径方向平均分割为N段；根据有限元分析所得磁通密度分布和定转子铁芯材料磁化曲线，计算定转子的等效磁阻；根据永磁材料的剩磁密度和相对回复磁导率特性，计算永磁体的等效磁势和等效磁阻；根据定转子相对位置，将气隙划分为若干小区域，分别计算各部分等效磁阻；结合各部分建模，建立轴向永磁电机等效磁路模型。本发明为轴向永磁电机进行初始和优化设计提供精确、快速的磁路计算方法。

Description

一种轴向永磁电机等效磁路模型的建模方法

技术领域

本发明涉及一种电机磁路建模方法，尤其涉及一种轴向永磁电机等效磁路模型的建模方法。

背景技术

轴向永磁电机具有结构紧凑、效率高、功率密度大等优点，尤其适合应用于电动车辆、可再生能源系统、工业设备等要求高转矩密度和空间紧凑的场合。

轴向永磁电机同时存在轴向和周向路径的磁通，本质上体现了三维磁场分布，使得其分析设计过程难度增大。目前，常用三种方法进行轴向永磁电机电磁场计算，包括解析法、有限元法和等效磁路法。

解析法在特定的假设简化条件下，通过求解麦克斯韦方程组，实现满足一定精度的磁场分析计算，该方法的优点是计算速度快。然而，诸如磁路饱和、定子齿槽、漏磁等因素难以在解析式中精确的体现，导致该方法计算精度偏低。

有限元法可以同时考虑多种效应的影响，实现高精确度的磁场分析，但该方法建模过程复杂，计算时间长，参数修改不便，难以应用于存在多种参变量在较大范围内变动的初始和优化设计。

等效磁路法采用“磁路”和“电路”类比的方法，在考虑磁路饱和、铁磁材料非线性以及永磁磁场和电枢反应磁场相互影响等因素下，利用随时间和空间变化的磁阻构建磁阻网络模型，通过节点磁位建立网络方程，求解得到电机磁场分布。等效磁路法可以实现计算时间和计算精度的有效平衡，适合应用于电机初始和优化设计。

综上所述，从磁路模型入手，在满足一定计算精度的前提下，有效减少磁场分析计算时间，对于轴向永磁电机分析、设计、优化将具有重大意义。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种轴向永磁电机等效磁路模型的建模方法，在满足计算精度的前提下，有效减少磁场计算所需的时间，为轴向永磁电机进行可靠性设计和优化分析提供有效、快速的磁路计算方法。

技术方案：一种轴向永磁电机等效磁路模型的建模方法，包括以下步骤：

(1)，判别轴向永磁电机所属拓扑结构，并确定电机定子、转子、永磁体、气隙部分的尺寸大小；

(2)，利用有限元仿真软件对轴向永磁电机进行三维有限元分析，获取电机定子、转子以及气隙磁通密度分布；

(3)，将轴向永磁电机沿径向平均分割为N段；

(4)，根据定转子铁芯材料磁化曲线、定子和转子尺寸大小以及步骤(2)所得的电机定子和转子部分的磁通密度分布，计算定转子的等效磁阻；

(5)，根据永磁体的大小尺寸、剩余磁通密度以及相对回复磁导率特性，计算永磁体的等效磁势和等效磁阻；

(6)，根据电机定转子相对位置以及气隙部分的尺寸，将气隙部分划分为若干区域，分别计算所述各区域气隙的等效磁阻；

(7)，结合所述定转子的等效磁阻、永磁体的等效磁势和等效磁阻以及所述各区域气隙的等效磁阻，建立轴向永磁电机的等效磁路模型。

作为本发明的优选方案，所述步骤(3)中将轴向永磁电机沿径向平均分割为4段。

作为本发明的优选方案，所述步骤(4)中计算定转子的等效磁阻包括非线性磁阻和漏磁阻。

有益效果：与现有技术相比，本发明的轴向永磁电机等效磁路模型建模方法，采用“磁路”和“电路”类比的方法，在考虑磁路饱和、铁磁材料非线性以及永磁磁场和电枢反应磁场相互影响等因素下，利用随时间和空间变化的磁阻构建磁阻网络模型，通过节点磁位建立网络方程，求解得到电机磁场分布，进而求得电机相关静态特性。在满足一定计算精度的前提下，有效减少磁场分析计算时间，为轴向永磁电机进行可靠性设计和优化分析提供有效、快速的磁路计算方法。

其中，将轴向永磁电机沿径向平均分割为N段，考虑磁通密度沿直径方向变化，从而提高计算精度；且N为正整数，取值越大，计算精度越高，但建模过程也越复杂；当N为4段时，能够使计算精度控制在5％以内，且计算复杂度最小。

根据定转子铁芯材料磁化曲线和电机定子和依据有限元分析所得转子部分的磁通密度分布，计算轴向永磁电机定转子的等效磁阻；该等效磁阻包括非线性磁阻，通过迭代过程考虑铁芯材料的磁路饱和现象；以及漏磁阻考虑该部分漏磁特征。

附图说明

图1是本发明实施例中轴向永磁电机的结构示意图；

图2是本发明轴向永磁电机沿直径方向分割为4段的结构示意图；

图3是本发明轴向永磁电机气隙划分区域后的主视结构图；

图4是本发明所提出方法应用于轴向永磁电机的等效磁路模型；

图5是本发明所述的轴向永磁电机等效磁路模型建模方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示为本发明实施例中轴向永磁电机的结构示意图，本发明方法应用于轴向永磁电机由定子铁芯1、定子绕组2、转子背铁3以及永磁体4组成。

如图2所示为将轴向永磁电机沿径向分割为4段的结构示意图，分割的方向是与磁通路径所在的轴向垂直的方向。

如图3所示为轴向永磁电机气隙划分区域后的主视结构图；根据定转子相对位置，将气隙划分为若干小区域，分别计算各部分等效磁阻。

如图4所示为轴向永磁电机的等效磁路模型，R_r、R_t、R_sh、R_m分别为转子等效磁阻、定子齿等效磁阻、定子肩等效磁阻以及永磁体等效磁阻；R_mg、R_mm、R_s、R_ss为永磁体与气隙漏磁阻、相邻永磁体间漏磁阻、定子槽漏磁阻和定子肩漏磁阻；为永磁体和电枢反应等效磁势；R₁-R₈为气隙等效磁阻。

如图5所示，轴向永磁电机等效磁路模型的建模方法，包括以下步骤：

(1)，判别轴向永磁电机所属拓扑结构，并确定电机定子、转子、永磁体、气隙部分的尺寸大小；

(2)，利用有限元仿真软件对轴向永磁电机进行三维有限元分析，获取电机定子、转子以及气隙磁通密度分布；

(3)，将轴向永磁电机沿径向平均分割为4段；

(4)，根据定转子铁芯材料磁化曲线、定子和转子尺寸大小以及步骤(2)所得的电机定子和转子部分的磁通密度分布，计算定转子的等效磁阻，等效磁阻包括非线性磁阻和漏磁阻；

(5)，根据永磁体的大小尺寸、剩余磁通密度以及相对回复磁导率特性，计算永磁体的等效磁势和等效磁阻；其中，剩余磁通密度和相对回复磁导率是由厂家直接提供的参数得到；

(6)，根据电机定转子相对位置以及气隙部分的尺寸，将气隙部分划分为若干区域，分别计算所述各区域气隙的等效磁阻；

(7)，结合所述定转子的等效磁阻、永磁体的等效磁势和等效磁阻以及各区域气隙的等效磁阻，建立轴向永磁电机的等效磁路模型。

(8)，建模完成。

上述过程为本发明实现过程中的一种，本领域技术人员在本发明基础上进行的变化和替换，诸于改变轴向永磁电机径向分割层数，改变气隙划分区域等，也包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种轴向永磁电机等效磁路模型的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)，判别轴向永磁电机所属拓扑结构，并确定电机定子、转子、永磁体、气隙部分的尺寸大小；

(2)，利用有限元仿真软件对轴向永磁电机进行三维有限元分析，获取电机定子、转子以及气隙磁通密度分布；

(3)，将轴向永磁电机沿径向平均分割为N段；

(4)，根据定转子铁芯材料磁化曲线、定子和转子尺寸大小以及步骤(2)所得的电机定子和转子部分的磁通密度分布，计算定转子的等效磁阻；

(5)，根据永磁体的大小尺寸、剩余磁通密度以及相对回复磁导率特性，计算永磁体的等效磁势和等效磁阻；

(6)，根据电机定转子相对位置以及气隙部分的尺寸，将气隙部分划分为若干区域，分别计算所述各区域气隙的等效磁阻；

(7)，结合所述定转子的等效磁阻、永磁体的等效磁势和等效磁阻以及所述各区域气隙的等效磁阻，建立轴向永磁电机的等效磁路模型。

2.根据权利要求1所述的一种轴向永磁电机等效磁路模型的建模方法，其特征在于：所述步骤(3)中将轴向永磁电机沿径向平均分割为4段。

3.根据权利要求1所述的一种轴向永磁电机等效磁路模型的建模方法，其特征在于：所述步骤(4)中计算定转子的等效磁阻包括非线性磁阻和漏磁阻。