CN108880381A - 一种带载情况下永磁同步电机齿槽转矩分离方法 - Google Patents

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王伟业
邱鑫
马辉
杨建飞
冯春梅
施建平
杨继全
朱兵
董艮滔
李思祥
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/20—Estimation of torque

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  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种带载情况下永磁同步电机齿槽转矩分离方法，包括：步骤1，在有限元分析软件中，如Ansoft、COMSOL等，建立电机模型；步骤2，注入三相对称的电流：根据带载情况下电机的运行状态，往电机模型的定子绕组注入三相对称的电流ia、ib、ic；步骤3，根据实际情况下电机的运行转速，同步电机的运行转速n；步骤4，获取反电动势；步骤5，计算电枢电流的输出功率：根据步骤2和步骤4获取的三相电流和反电动势，求得电枢电流的输出功率P；步骤6，计算电枢电流的输出转矩：根据步骤3和步骤5获取的运行转速n和电枢电流输出功率P，求得电枢电流的输出转矩Tarm；步骤7，分离齿槽转矩。

Description

一种带载情况下永磁同步电机齿槽转矩分离方法
技术领域
本发明属于电气工程技术领域，尤其涉及一种带载情况下永磁同步电机齿槽转矩分离方法。
背景技术
永磁同步电机具有效率高、体积小、控制能好等优点，被广泛应用在生活用品、工业生产等领域。虽然永磁同步电机有诸多优点，但它仍然存在一些问题，齿槽转矩就是其中之一。齿槽转矩会导致电机转速波动、噪声等问题，影响电机性能，所以对永磁同步电机齿槽转矩的产生机理和优化分析的研究很重要。空载情况下，由于定子槽口的气隙磁密只受永磁体的影响，齿槽转矩的分析比较容易，并且相关的优化方案比较成熟。带载情况下的齿槽转矩分析，由于定子绕组中存在电流，槽口的气隙磁密分布比较复杂，从而导致多种转矩夹杂在一起，很难区分，目前还没有比较成熟有效的方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对带载情况下齿槽转矩计算的复杂性，提出了一种永磁同步电机带载情况下齿槽转矩分离方法。所述方法采用有限元分析软件，如Ansoft、COMSOL等，使电机在带载情况下以一定转速运行；根据仿真得到的三相反电动势和三相相电流，得到由永磁同步电机的电枢电流产生的电磁功率；结合电机的转速，得到由电枢电流产生的电磁转矩；再结合仿真得到电机的输出转矩，利用作差法，将带载情况下的齿槽转矩从输出转矩中分离。该齿槽转矩分离法，实现起来非常简单，没有复杂的公式推导，仅通过有限元分析软件和简单计算即可获得带载情况下的齿槽转矩。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是一种带载情况下永磁同步电机齿槽转矩分离方法，包括如下步骤：
步骤1，在有限元分析软件中，如Ansoft、COMSOL等，建立与实际电机相对应的电机模型；
步骤2，注入三相对称的电流：根据带载情况下实际电机的运行状态，利用有限元分析软件，往电机模型的定子绕组注入三相对称的电流ia、ib、ic，模拟电机在带载情况下运行；
步骤3，同步运行转速：根据实际情况下电机的运行转速n，同步到有限元分析软件中；
步骤4，计算反电动势：利用有限元分析软件，获取带载情况下的三相绕组反电动势；
步骤5，计算电枢电流的输出功率：根据步骤2获取的三相电流和步骤4获取的反电动势，求得电枢电流的输出功率P；
步骤6，计算电枢电流的输出转矩：根据步骤3获取的运行转速n和步骤5获取的电枢电流输出功率P，求得电枢电流的输出转矩Tarm；
步骤7，根据电枢电流输出转矩Tarm，分离齿槽转矩。
步骤1包括：利用有限元分析软件，再根据实际电机参数，建立相应的电机模型。
步骤4中，利用有限元分析软件，获取带载情况下的三相绕组反电动势ea、eb、ec。
步骤5中，通过如下公式计算电枢电流的输出功率P：
P＝ea·ia+eb·ib+ec·ic。
其中，ia、ib和ic是带载情况下三相绕组的电流。
步骤6中，通过如下公式计算电枢电流的输出转矩Tarm：
其中，9.55是将运行转速n的单位由r/min转换成rad/s的转换系数，由得到。
步骤7包括：利用有限元分析软件得到电机的输出转矩Tout，再根据步骤6获取的电枢电流输出转矩Tarm，分离得到齿槽转矩TΔ：
TΔ＝Tout-Tarm。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种带载情况下永磁同步电机齿槽转矩分离的方法，该方法无需计算带载情况下电机的复杂气隙磁密，仅通过简单的四则运算获得电枢电流产生的转矩，将齿槽转矩从输出转矩中分离，具有简单可靠的特点。本发明利用分离法，通过求解电枢电流产生的转矩，将齿槽转矩从电机输出总转矩中分离，巧妙地避开了直接求解齿槽转矩的复杂过程。本发明具有较好的经济效益前景。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是永磁同步电机的模型示意图。
图2是三相定子绕组反电动势示意图。
图3是电枢电流的输出功率示意图。
图4是电枢电流产生的转矩示意图。
图5是电机的输出转矩示意图。
图6是带载下电机的齿槽转矩示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
本发明提供了一种带载情况下永磁同步电机齿槽转矩分离方法，具体包括如下步骤：
步骤1，在有限元分析软件中，如Ansoft、COMSOL等，建立与实际电机相对应的电机模型；
步骤2，注入三相对称的电流：根据带载情况下实际电机的运行状态，利用有限元分析软件，往电机模型的定子绕组注入三相对称的电流ia、ib、ic，模拟电机在带载情况下运行；
步骤3，同步运行转速：根据实际情况下电机的运行转速n，同步到有限元分析软件中；
步骤4，计算反电动势：利用有限元分析软件，获取带载情况下的三相绕组反电动势；
步骤5，计算电枢电流的输出功率：根据步骤2获取的三相电流和步骤4获取的反电动势，求得电枢电流的输出功率P；
步骤6，计算电枢电流的输出转矩：根据步骤3获取的运行转速n和步骤5获取的电枢电流输出功率P，求得电枢电流的输出转矩Tarm；
步骤7，根据电枢电流输出转矩Tarm，分离齿槽转矩。
步骤1包括：利用有限元分析软件，再根据实际电机参数，建立相应的电机模型。
步骤4中，利用有限元分析软件，获取带载情况下的三相绕组反电动势ea、eb、ec。
步骤5中，通过如下公式计算电枢电流的输出功率P：
P＝ea·ia+eb·ib+ec·ic。
其中，ia、ib和ic是带载情况下三相绕组的电流。
步骤6中，通过如下公式计算电枢电流的输出转矩Tarm：
其中，9.55是将运行转速n的单位由r/min转换成rad/s的转换系数，由得到。
步骤7包括：利用有限元分析软件得到电机的输出转矩Tout，再根据步骤6获取的电枢电流输出转矩Tarm，分离得到齿槽转矩TΔ：
TΔ＝Tout-Tarm。
实施例
本实施例的实现步骤如下：
(1)本实例使用的是24槽16极“一”型内嵌式永磁同步电机的二维模型，在有限元分析软件Ansoft中按照下表设置好各项参数，得到如图1所示的二维静态模型。
(2)根据电机在带载运行情况下的三相电流，然后通过有限元分析软件设置与实际情况相同的定子绕组电流ia＝15cos(400πt)、 单位均为A。
(3)根据电机在带载运行情况下的转速，然后通过有限元分析软件设置与实际情况相同的电机运行转速n＝1500，单位为r/min；
(4)在有限元分析软件的求解器中，获取三相绕组的反电动势ea、eb、ec，如图2所示，横坐标是时间，单位为ms；纵坐标为反电动势，单位为V；右上角标注的信息，从上到下分别代表A相、B相和C相反电动势。
(5)根据三相电流ia、ib、ic和反电动势ea、eb、ec，求得电枢电流的输出功率P，如图3所示，横坐标是时间，单位为ms；纵坐标是功率，单位为W。
(6)根据运行转速n和电枢电流输出功率P，求得电流的输出转矩Tarm，具体数值如图4所示，横坐标是时间，单位为ms；纵坐标是电流输出转矩，单位为N·m。
(7)在有限元分析软件的求解器中获取电机的输出转矩Tout，具体数值如图5所示，横坐标是时间，单位为ms；纵坐标是电机输出转矩，单位为N·m；右上角标注的信息代表电机在带载情况下的输出转矩。
(8)结合电枢电流输出转矩Tarm，分离得到齿槽转矩TΔ，具体数值如图6所示，横坐标是时间，单位为ms；纵坐标是齿槽转矩，单位为N·m。
本发明提供了一种带载情况下永磁同步电机齿槽转矩分离方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种带载情况下永磁同步电机齿槽转矩分离方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，建立与实际电机相对应的电机模型；
步骤2，注入三相对称的电流：根据带载情况下实际电机的运行状态，往电机模型的定子绕组注入三相对称的电流ia、ib、ic，模拟电机在带载情况下运行；
步骤3，同步运行转速：根据实际情况下电机的运行转速n，单位为rad/s，同步到有限元分析软件中；
步骤4，计算反电动势：获取带载情况下的三相绕组反电动势；
步骤5，计算电枢电流的输出功率：根据步骤2获取的三相电流和步骤4获取的反电动势，求得电枢电流的输出功率P；
步骤6，计算电枢电流的输出转矩：根据步骤3获取的运行转速n和步骤5获取的电枢电流输出功率P，求得电枢电流的输出转矩Tarm；
步骤7，根据电枢电流输出转矩Tarm，从输出转矩Tout中分离齿槽转矩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括：利用有限元分析软件，根据实际电机参数，建立相应的电机模型。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤4中，利用有限元分析软件，获取带载情况下的三相绕组反电动势ea、eb、ec。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤5中，通过如下公式计算电枢电流的输出功率P：
P＝ea·ia+eb·ib+ec·ic。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤6中，通过如下公式计算电枢电流的输出转矩Tarm：
其中，9.55是将运行转速n的单位由r/min转换成rad/s的转换系数，由得到。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤7包括：利用有限元分析软件得到电机的输出转矩Tout，再根据步骤6获取的电枢电流输出转矩Tarm，分离得到齿槽转矩TΔ：
TΔ＝Tout-Tarm。
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