CN107070344A - 一种永磁无刷电机电枢绕组电感值的估算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种永磁无刷电机电枢绕组电感值的估算方法，包括：(1)建立电机有限元求解模型；(2)对电机模型进行有限元分析；(3)获得绕组电感、电枢电流以及磁极位置对应的参数表；(4)根据参数表等效模拟估算出电感值。控制器实时检测电机电枢电流幅值以及磁极角度参数的变化，通过指令对受控电感值进行实时控制；电感值的变化能够实时反映电机内部的电磁状态，使得电磁状态可观测。本发明可以帮助设计者更准确地估算出绕组电感值，可用于环流损耗的估算，对永磁无刷电机结构的优化设计起到很重要的作用。

Description

一种永磁无刷电机电枢绕组电感值的估算方法
技术领域
本发明涉及电机，特别是涉及一种永磁无刷电机电枢绕组电感值的估算方法。
背景技术
在电机结构设计以及电机调试阶段，定子绕组电感参数对于电机模型的建立，以及对电机系统进行特性分析都非常关键。
电机在运行下，气隙磁密分布不均匀，会使得同一绕组不同位置的电感值有所区别；电枢电流的大小会影响气隙磁密的饱和程度，也会影响绕组的电感值。当前电感的计算方法是根据公式求得电感不饱和状态下的电感值，然后根据饱和系数估算电感饱和值。由于电感的饱和程度各不相同，这样的计算比较粗略。电枢电流的幅值会影响绕组电感的饱和程度，绕组在电机中的分布情况也会对电感饱和程度产生影响。饱和系数的影响因素较多，使得电感值的估算不确定性增大。借助这样的电感参数建立的模型并不能很好地反映出电机运行状态下气隙内的电磁状态，设计者无法根据有效数据对结构提出进一步的改进。
发明内容
发明目的：为解决现有技术的不足，本发明提供一种结合当前运行状态下电机内电磁状态，以准确计算环流损耗的永磁无刷电机电枢绕组电感值的估算方法。
技术方案：本发明的一种永磁无刷电机电枢绕组电感值的估算方法，包括以下步骤：
(1)建立电机有限元模型；
(2)对电机模型进行有限元分析；
(3)获得绕组电感与电枢电流、绕组位置对应的参数表；
(4)根据参数表等效模拟估算出电感值。
其中，步骤(1)为：忽略电机绕组相间互感，电机绕组选取一相，并选取电机的四分之一周期建立电机有限元模型。
步骤(2)为：在电机有限元模型绕组中分别通入不同幅值的电枢电流，以转子位置为变量进行参数化扫描计算，测算绕组圆周上每个位置在不同幅值电枢电流下的电感值，由此获得不同电枢电流下、不同磁极角度位置绕组的电感值。
步骤(3)为：将绕组电感，电枢电流以及磁极位置对应建立参数表，经过曲线拟合分析，获得电感参数与电枢电流、磁极位置的变化规律。
所述参数表的第一列为电枢电流值，第一行为磁极角度；一组电枢电流，对应n组不同的磁极角度，可以得出n组绕组电感值，因此，m组电枢电流值和n组磁极角度值，可以得出m×n组绕组电感值。
所述步骤(4)为：控制器实时观测电机的运行状态参数，经过分析获得电机当前的运行状态，按照电枢电流和磁极位置确定查表区间，得到对应的绕组电感值。
再者，所述电机运行状态参数包括电机电枢电流，电机角速度和电机磁极位置。
有益效果：与现有技术相比，本发明考虑到电枢电流对电感饱和程度的影响以及电感值与电枢磁极位置的关系，控制器实时检测电机的状态变量，分析当前状态下电机绕组电感的饱和程度，据此对可控电感的参数进行调节，这样电感值与电机的运行状态紧密相关，动态关联；电感值的变化能够实时反映电机内部的电磁状态，使得电磁状态可观测。可以帮助设计者更准确地估算出绕组电感值，可用于环流损耗的估算，对永磁无刷电机结构的优化设计起到很重要的作用。并可应用于电机设计以及电机测试研究和电机教学。
附图说明
图1是本发明的一种电机电枢绕组电感值的估算方法流程图；
图2是电感值求解计算基本框图。
具体实施方式
以下结合附图通过具体实施方式对本发明技术方案作进一步解释说明。
一种永磁无刷电机电枢绕组电感值的估算方法，流程图如图1所示，包括以下步骤：
(1)建立电机有限元模型
建立永磁型无刷直流电机有限元求解模型，考虑到电机绕组相与相之间几乎没有交链，故相间互感可以忽略，电机绕组选取一相，同时考虑到电机的周期性，选取电机的四分之一进行建模求解。
针对不同的电机会有不同的有限元模型，本领域技术人员可根据该方法建立相应的电机有限元模型。
(2)对电机模型进行有限元分析
对上述模型进行有限元分析，在模型绕组中分别通入m组不同幅值的电枢电流i1，i2，…，im，以转子位置为变量进行参数化扫描计算，测算绕组圆周上每个位置在不同幅值电枢电流下的电感值，其中，绕组圆周上每个位置对应不同的磁极角度；由此可以获得不同电枢电流下、不同磁极角度位置绕组的电感值L11，…,Lij，…,Lmn，其中，磁极角度取值为θ1,θ2,…,θn。
(3)获得绕组电感与电枢电流、磁极位置对应的参数表
对数据进行进一步的整理归纳，获得绕组电感与电枢电流、磁极位置对应的参数表，经过曲线拟合分析，获得电感参数与电枢电流、磁极位置的变化规律。
参数表的第一列为电枢电流值，第一行为磁极角度；一组电枢电流，对应n组不同的磁极角度，可以得出n组绕组电感值，因此，m组电枢电流值和n组磁极角度值，可以得出m×n组绕组电感值。该绕组电感与电枢电流、磁极位置对应的参数表如表1所示：
表1.绕组电感与电枢电流、磁极位置对应的参数表
(4)根据参数表等效模拟估算出电感值
实时观测电机的运行状态参数，经过分析便可获得电机当前的运行状态，按照电枢电流和磁极位置确定查表区间，得到对应的绕组电感值；电感值已知的情况下，通过受控电感可以等效模拟出估算电感值。
如图2所示，控制器实时监测电机设备获得电机的运行状态参数，控制器依据检测到电机运行参数，通过查表获得当前电机运行状态下电感变化系数，对受控电感发出控制指令，受控电感的电感值随着电机转速以及电机负载情况实时变化，这样就能够准确地还原绕组内电感的变化情况。
电机运行状态参数包括电机电枢电流、电机角速度和电机磁极位置。
实施例：
电枢电流取值范围为0A～10A，其中不包括0A，步进值为0.5A；磁极角度取值范围为0°～360°，步进值为15°；磁极角度为360°的时候，与磁极角度为0°的时候重合，故省略360°。
电枢绕组通入0.5A的电流，当磁极角度为0°时，测算出此时的绕组电感值为l11，改变磁极位置，使磁极角度为15°时，再次测算出此时的绕组电感值为l12，依次类推，测算出磁极角度为345°时的绕组电感值为l1,24。
同理，电枢绕组通入1.0A的电流，当磁极角度为0°时，测算出此时的绕组电感值为l21，改变磁极位置，使磁极角度为15°时，再次测算出此时的绕组电感值为l22，依次类推，测算出磁极角度为345°时的绕组电感值为l2,24。
依次类推，当电枢绕组分别通入1.5A，2.0A，2.5A，3.0A，3.5A，4.0A，4.5A，5.0A，5.5A，6.0A，6.5A，7.0A，7.5A，8.0A，8.5A，9.0A，9.5A，10A的电流时，可以依次测算出磁极角度为0°～360°范围内，磁极角度步进值为15°的绕组电感值。
实时观测电机的运行状态参数，经过分析便可获得电机当前的运行状态，按照电枢电流和磁极位置确定查表区间，得到对应的绕组电感值，例如：电枢电流为6.0A，磁极位置为150°，就可根据上表查得此时的绕组电感值；电感值已知的情况下，通过受控电感可以等效模拟出估算电感值。
本发明的工作原理是：电机电枢绕组电感值可以近似表示为L＝Lθ1+KLθ1sin2θ，其中，Lθ1为上一个位置电枢绕组的电感，K为电感参数，θ为电机磁极的位置；公式参数不仅与电机的磁极位置相关，电枢电流的幅值也会影响气隙磁密的饱和程度，影响电感值。电机绕组电感会随着磁极位置的变化而发生变化，同时，电枢电流也会对绕组磁场饱和程度产生一定的影响。考虑到磁极位置、电枢电流对电感值的影响，通过分区间查表的方式确定电感参数具有更高的准确度，这种方法估算出的电感值与当前电机电磁状态下的电感值更加接近。

Claims (6)

1.一种永磁无刷电机电枢绕组电感值的估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立电机有限元模型；
(2)对电机模型进行有限元分析；
(3)获得绕组电感与电枢电流、绕组位置对应的参数表；
(4)根据参数表等效模拟估算出电感值。
2.根据权利要求1所述的一种电枢绕组电感值的估算方法，其特征在于，所述步骤(1)为：忽略电机绕组相间互感，电机绕组选取一相，并选取电机的四分之一周期建立电机有限元模型。
3.根据权利要求1所述的一种电枢绕组电感值的估算方法，其特征在于，所述步骤(2)为：在电机有限元模型绕组中分别通入不同幅值的电枢电流，以转子位置为变量进行参数化扫描计算，测算绕组圆周上每个位置在不同幅值电枢电流下的电感值，由此获得不同电枢电流下、不同磁极角度位置绕组的电感值。
4.根据权利要求1所述的一种电枢绕组电感值的估算方法，其特征在于，所述步骤(3)为：将绕组电感，电枢电流以及磁极位置对应建立参数表，经过曲线拟合分析，获得电感参数与电枢电流、磁极位置的变化规律；
所述参数表的第一列为电枢电流值，第一行为磁极角度；一组电枢电流，对应n组不同的磁极角度，可以得出n组绕组电感值，因此，m组电枢电流值和n组磁极角度值，可以得出m×n组绕组电感值。
5.根据权利要求1所述的一种电枢绕组电感值的估算方法，其特征在于，所述步骤(4)为：控制器实时观测电机的运行状态参数，经过分析获得电机当前的运行状态，按照电枢电流和磁极位置确定查表区间，得到对应的绕组电感值。
6.根据权利要求5所述的一种电枢绕组电感值的估算方法，其特征在于：所述电机运行状态参数包括电机电枢电流、电机角速度和电机磁极位置。
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