CN112713729B - 一种表贴式永磁电动机电磁设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表贴式永磁电动机电磁设计方法，包括永磁电动机的简要磁路设计和电磁场有限元计算，所述的简要磁路设计主要是以电动机的技术要求为输入，根据电动机电磁设计的基本公式，确定永磁电动机定子铁芯所包含的尺寸和转子磁极的初步尺寸；所述的电磁场有限元计算包括静态磁场计算和瞬态磁场计算，所述的静态磁场计算用于确定转子磁极的径向尺寸，所述的瞬态磁场计算用于确定电动机的轴向长度。本发明涉及的方法不受永磁电动机尺寸的限制，克服了传统电机设计计算过程经验公式中的系数不准确等不足，同时本发明在计算中考虑了电机的饱和特性，提高了计算结果的准确性，特别适用于表贴式永磁电动机的设计分析。

Description

一种表贴式永磁电动机电磁设计方法

技术领域

本发明属于电动机的电磁设计技术领域，具体涉及一种表贴式永磁电动机电磁设计方法。

背景技术

随着电力电子技术和永磁材料性能的不断提高，永磁同步电动机以其高效节能、体积小、重量轻、耗能小、噪声低等优点，在各行各业得到了广泛应用。几乎遍及航空航天、船舶电力推进、矿山机械、工农业生产和日常生活的各个领域。

永磁同步电动机结构形式多种多样，其中表贴式的转子结构具有结构简单、电枢反应小等优点。

针对表贴式永磁同步电动机的设计，传统的磁路设计方法中，一些经验公式中的系数需要很多试验数据的积累来获取和修正，而且忽略了磁路的饱和效应，故设计结果经常与试验结果差距较大。

发明内容

本发明提供的一种表贴式永磁电动机电磁设计的方法，目的在于克服现有传统磁路设计方法设计与试验结果差距大的缺点，以达到快速准确设计一款表贴式永磁电动机的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种表贴式永磁电动机电磁设计方法，包括如下步骤

(一)，输入永磁电动机的技术参数：包括额定功率、额定电压、效率和功率因数、冷却条件以及绝缘等级；

(二)，以预估的电动机电负荷、电流密度及气隙磁密作为设计边界，根据输入参数对永磁电动机进行简要磁路设计：

(2.1)，按照永磁电动机的磁路设计公式，确定电动机定子的内径、外径、极数、槽数、每槽导体数、并联支路数等参数，完成定子主要电磁结构尺寸设计；

(2.2)，结合电动机的绝缘规范确定电动机的槽型尺寸包括槽高、槽宽以及绕组的线规等参数，完成定子槽型及绕组设计；

(2.3)，以预估的气隙磁密作为输入，根据永磁电动机转子参数，确定磁极厚度、极弧系数、磁极轭部厚度等，完成磁极尺寸初步设计；

(2.4)，计算电动机的相绕组电阻、端部漏感、绕组铜耗、定子铁耗、机械损耗以及电动机效率等参数，根据电动机的性能参数确认是否满足设计要求，如不满足则需要修改设计边界重新设计计算，直至完成电动机性能参数计算；

(三)，分别通过静态磁场计算和瞬态磁场计算完成永磁电动机的电磁场有限元计算：其中静态磁场计算用于确定转子磁极的径向尺寸，瞬态磁场计算用于确定电动机的轴向长度；

(3.1)，以简要磁路设计要求的气隙磁密为设计目标，以磁极极弧系数及磁极厚度为设计变量，确定满足设计目标的电动机转子磁极尺寸，完成静态磁场计算；

(3.2)，将简要磁路设计和静态磁场计算得到的电动机的电磁结构参数作为二维有限元建模的依据，以磁路计算得到的相电流为输入，对一定范围的内功率因数角进行扫描计算，从而得到对应的电动机电磁转矩、相电压、功率因数等参数，筛选出满足功率因数设计要求的方案，并计算轴向长度，，通过对应电磁转矩与额定电磁转矩按照线性比例折算，从而得到这台电动机的轴向长度，并更新与电动机轴向长度相关的性能参数，完成瞬态磁场计算。

所述的一种表贴式永磁电动机电磁设计方法，其特征在于，所述的简要磁路设计利用python、Matlab等软件编程实现。

所述的一种表贴式永磁电动机电磁设计方法，其特征在于，所述的静态磁场计算和瞬态磁场计算是通过有限元软件实现，计算结果处理通过python、Matlab等软件编程实现。

所述的一种表贴式永磁电动机电磁设计方法，其特征在于，所述的步骤(3.1)的静态磁场计算是根据简要磁路设计的结果，利用有限元软件建立数学模型，设置计算边界，以磁极极弧系数及磁极厚度为设计变量，计算气隙磁密的基波幅值，并将计算得到的与参考值对比：如果满足设计要求的误差值，计算结束，得到磁极极弧系数及磁极厚度；否则重新调整磁极极弧系数及磁极厚度，重新计算，直到得到满足设计要求的磁极极弧系数及磁极厚度。

所述的一种表贴式永磁电动机电磁设计方法，其步骤(3.2)具体为：

(3.2.1)，以磁路计算得到的轴向长度作为瞬态计算初始输入的轴向长度，以相电流有效值为输入，对一定范围的内功率因数角进行扫描计算，得到不同内功率因数角下对应的电动机电磁转矩。

(3.2.2)，利用python软件编写后处理程序，提取步骤1中各个内功率因数角对应的相电压基波幅值、负载相反电动势、相电压和相电流基波夹角对应的功率因数以及电磁转矩，形成比对比表。

(3.2.3)，如果步骤(3.2.2)表格中某一功率因数满足技术要求，将其对应电磁转矩与额定电磁转矩按照线性比例对计算轴向长度进行折算，从而得到对应电动机的轴向长度。

(3.2.4)，根据步骤(3.2.3)电动机的轴向长度重新确定，与电动机轴向长度相关的其他性能参数也需要更新，例如电动机的电阻、电动机的端电压、电动机的铜耗、铁耗等。

本发明的有益效果是：本发明采取磁路和磁场相结合的方法，不受永磁电动机尺寸的限制，可以克服传统设计方法的缺陷，设计结果会更准确，克服了传统电动机设计计算过程经验公式中的系数不准确等不足，同时在计算中考虑了电动机的饱和特性，提高了计算结果的准确性，特别适用于表贴式永磁电动机的设计分析。

附图说明

图1为本发明的设计流程图；

图2为本发明静态磁场计算过程图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1所示，本发明公开的一种表贴式永磁电动机电磁设计方法，主要包括如下步骤

(一)，输入永磁电动机的技术参数：包括额定功率、额定电压、效率和功率因数、冷却条件以及绝缘等级。

(二)，以预估的电动机电负荷、电流密度及气隙磁密作为设计边界，根据输入参数对永磁电动机进行简要磁路设计。简要磁路计算主要是借助于python、Matlab等软件完成多个模块的程序实现，具体包括：

(2.1)，定子主要电磁结构尺寸设计：按照永磁电动机的磁路设计公式，确定电动机定子的内径、外径、极数、槽数、每槽导体数、并联支路数等参数。

(2.2)，定子槽型及绕组设计：结合电动机的绝缘规范确定电动机的槽型尺寸包括槽高、槽宽以及绕组的线规等参数。

(2.3)，磁极尺寸初步设计：以预估的气隙磁密作为输入，根据永磁电动机转子参数，确定磁极厚度、极弧系数、磁极轭部厚度等。

(2.4)，电动机性能参数计算：计算电动机的相绕组电阻、端部漏感、绕组铜耗、定子铁耗、机械损耗以及电动机效率等参数，根据电动机的性能参数确认是否满足设计要求，如不满足则需要修改设计边界重新设计计算，直至完成电动机性能参数计算。

(三)，分别通过静态磁场计算和瞬态磁场计算完成永磁电动机的电磁场有限元计算。其中静态磁场计算用于确定转子磁极的径向尺寸，瞬态磁场计算用于确定电动机的轴向长度：

(3.1)，以简要磁路设计要求的气隙磁密为设计目标，以磁极极弧系数及磁极厚度为设计变量，确定满足设计目标的电动机转子磁极尺寸，完成静态磁场计算。

(3.2)，将简要磁路设计得到的电动机的电磁结构参数作为二维有限元建模的依据，以磁路计算得到的相电流为输入，对一定范围的内功率因数角进行扫描计算，从而得到对应的电动机电磁转矩、相电压、功率因数等参数，筛选出满足设计要求的功率因数并对其计算轴向长度，通过对应电磁转矩与额定电磁转矩按照线性折算，从而得到这台电动机的轴向长度，并更新与电动机轴向长度相关的性能参数，完成瞬态磁场计算。

本步骤的静态磁场计算和瞬态磁场计算是通过有限元软件实现，计算结果处理通过python、Matlab等软件编程实现。

参照图2所示，步骤(3.1)的静态磁场计算根据简要磁路设计的结果，利用有限元软件建立数学模型，设置计算边界，以磁极极弧系数及磁极厚度为设计变量，计算气隙磁密的基波幅值，并将计算得到的与参考值对比，如果满足设计要求的误差值，计算结束，得到磁极极弧系数及磁极厚度；否则重新调整磁极极弧系数及磁极厚度，重新计算，直到得到满足设计要求的磁极极弧系数及磁极厚度。

步骤(3.2)的瞬态磁场计算步骤如下：

(3.2.1)，以磁路计算得到的轴向长度作为瞬态计算初始输入的轴向长度，以相电流有效值为输入，对一定范围的内功率因数角进行扫描计算，得到不同内功率因数角下对应的电动机电磁转矩。

(3.2.2)，利用python软件编写后处理程序，提取步骤1中各个内功率因数角对应的相电压基波幅值、负载相反电动势、相电压和相电流基波夹角对应的功率因数以及电磁转矩，形成比对比表。

(3.2.3)，如果步骤(3.2.2)表格中某一功率因数满足技术要求，将其对应电磁转矩与额定电磁转矩按照线性比例对计算轴向长度进行折算，从而得到对应电动机的轴向长度。

(3.2.4)，根据步骤(3.2.3)电动机的轴向长度重新确定，与电动机轴向长度相关的其他性能参数也需要更新，例如电动机的电阻、电动机的端电压、电动机的铜耗、铁耗等。

本发明所述的方法不受永磁电动机尺寸的限制，克服了传统电动机设计计算过程经验公式中的系数不准确等不足，同时本发明在计算中考虑了电动机的饱和特性，提高了计算结果的准确性，特别适用于表贴式永磁电动机的设计分析。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种表贴式永磁电动机电磁设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(一)，采集包括额定功率、额定电压、效率和功率因数、冷却条件以及绝缘等级在内的永磁电动机技术参数作为设计输入；

(二)，以预估的电动机电负荷、电流密度及气隙磁密作为设计边界，根据输入参数对永磁电动机进行简要磁路设计：

(2.1)，按照永磁电动机的磁路设计公式，确定电动机定子的内径、外径、极数、槽数、每槽导体数以及并联支路数，完成定子主要电磁结构尺寸设计；

(2.2)，结合电动机的绝缘规范确定电动机的槽型尺寸、槽高、槽宽以及绕组的线规，完成定子槽型及绕组设计；

(2.3)，以预估的气隙磁密作为输入，根据永磁电动机转子参数，确定磁极厚度、极弧系数以及磁极轭部厚度，完成磁极尺寸初步设计；

(2.4)，计算电动机的相绕组电阻、端部漏感、绕组铜耗、定子铁耗、机械损耗以及电动机效率，根据电动机的性能参数确认是否满足设计要求，如不满足则修改设计边界重新设计计算，直至完成电动机性能参数计算；

(三)，分别通过静态磁场计算和瞬态磁场计算完成永磁电动机的电磁场有限元计算：

(3.1)，以简要磁路设计要求的气隙磁密为设计目标，以磁极极弧系数及磁极厚度为设计变量，确定满足设计目标的电动机转子磁极尺寸，完成静态磁场计算；

(3.2)，将简要磁路设计和静态磁场得到的电动机的电磁结构参数作为二维有限元建模的依据，以磁路计算得到的相电流为输入，对一定范围的内功率因数角进行扫描计算，从而得到对应的电动机电磁转矩、相电压以及功率因数，筛选出满足功率因数设计要求的方案，并计算轴向长度，通过对应电磁转矩与额定电磁转矩按照线性比例折算，从而得到这台电动机的轴向长度，更新与电动机轴向长度相关的性能参数，完成瞬态磁场计算。

2.根据权利要求1所述的一种表贴式永磁电动机电磁设计方法，其特征在于，所述的简要磁路设计利用python或Matlab软件编程实现。

3.根据权利要求1所述的一种表贴式永磁电动机电磁设计方法，其特征在于，所述的静态磁场计算和瞬态磁场计算通过有限元软件实现，计算结果处理通过python或Matlab编程实现。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种表贴式永磁电动机电磁设计方法，其特征在于，所述的步骤(3.1)是根据简要磁路设计的结果，利用有限元软件建立数学模型，设置计算边界，以磁极极弧系数及磁极厚度为设计变量，计算气隙磁密的基波幅值B_δ，并将计算得到的B_δ与参考值B_δ0对比：

如果满足设计要求的误差值ε，计算结束，得到磁极极弧系数及磁极厚度；

否则重新调整磁极极弧系数及磁极厚度，重新计算，直到得到满足设计要求的磁极极弧系数及磁极厚度。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种表贴式永磁电动机电磁设计方法，其特征在于，所述的步骤(3.2)具体为：

(3.2.1)，以磁路计算得到的轴向长度作为瞬态计算初始输入的轴向长度l_ef0，以相电流有效值为输入，对一定范围的内功率因数角进行扫描计算，得到不同内功率因数角下对应的电动机电磁转矩P_em；

(3.2.2)，利用python软件编写后处理程序，提取步骤(3.2.1)中各个内功率因数角对应的相电压基波幅值U_am、负载相反电动势E_am、相电压和相电流基波夹角对应的功率因数cosφ以及电磁转矩P_em，形成比对比表；

(3.2.3)，如果步骤(3.2.2)表格中某一功率因数cosφ满足技术要求，将其对应电磁转矩P_em与额定电磁转矩P_emrate按照线性比例对计算轴向长度E_am进行折算，从而得到对应电动机的轴向长度

(3.2.4)，根据步骤(3.2.3)电动机的轴向长度重新确定电动机的电阻、电动机的端电压、电动机的铜耗以及铁耗。

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