CN113177862B - 削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成方法及系统 - Google Patents

削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开提供了一种削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成方法及系统，获取内置式永磁同步电机的极槽配合数据；根据磁极不同极弧系数组合下的磁动势沿气隙圆周的分布，得到磁动势的傅里叶展开式；根据获取的极槽配合数据以及磁动势的傅里叶展开式，得到与固有轴电压基波相关的磁动势傅里叶分解系数；以磁动势的傅里叶分解系数值为零为目标，得到能够削弱固有轴电压的极弧系数组合；本公开应用于内置式永磁同步电机，削弱了其固有轴电压，提高了电机系统运行的可靠性。

Description

削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成方法及系统
技术领域
本公开涉及内置式永磁同步电机技术领域，特别设计一种削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
由于具有功率密度高、效率高、弱磁扩速能力强等优点，内置式永磁同步电机广泛应用于风力发电、航空航天、轨道交通等应用场合。在这些应用场合中，内置式永磁同步电机长期运行，必须具有高可靠性、高稳定性。
固有轴电压是内置式永磁同步电机极槽配合引起的磁路不平衡产生的。当固有轴电压幅值高于轴承油膜的击穿阈值时，会产生环路轴电流，短时间内对轴承造成损伤。
发明人发现，针对内置式永磁同步电机的轴电压问题，大多数研究集中于轴承电压的抑制，对内置式永磁同步电机固有轴电压的削弱措施研究较少。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成方法及系统，应用于内置式永磁同步电机，削弱了其固有轴电压，提高了电机系统运行的可靠性。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开第一方面提供了一种削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成方法。
一种削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成方法，包括以下过程：
获取内置式永磁同步电机的极槽配合数据；
根据磁极不同极弧系数组合下的磁动势沿气隙圆周的分布，得到磁动势的傅里叶展开式；
根据获取的极槽配合数据以及磁动势的傅里叶展开式，得到与固有轴电压基波相关的磁动势傅里叶分解系数；
以磁动势的傅里叶分解系数值为零为目标，得到能够削弱固有轴电压的极弧系数组合。
进一步的，相邻两个磁极的极弧系数不相等，相隔两个极距的磁极的极弧系数相等。
进一步的，极弧系数组合为相邻的两个永磁体极弧系数。
进一步的，两个永磁体极弧系数中，一个为原电机模型磁极极弧系数，使磁动势的傅里叶分解系数值为零，得到另一个极弧系数。
本公开第二方面提供了一种削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成系统。
一种削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成系统，包括：
数据获取模块，被配置为：获取内置式永磁同步电机的极槽配合数据；
磁动势傅里叶展开模块，被配置为：根据磁极不同极弧系数组合下的磁动势沿气隙圆周的分布，得到磁动势的傅里叶展开式；
磁动势傅里叶分解系数获取模块，被配置为：根据获取的极槽配合数据以及磁动势的傅里叶展开式，得到与固有轴电压基波相关的磁动势傅里叶分解系数；
极弧系数组合生成模块，被配置为：以磁动势的傅里叶分解系数值为零为目标，得到能够削弱固有轴电压的极弧系数组合。
本公开第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成方法中的步骤。
本公开第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成方法中的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公开所述的方法、系统、介质或电子设备，应用于变频器驱动的内置式永磁同步电机，削弱了电机的固有轴电压，提高了电机系统的可靠性。
2、本公开所述的方法、系统、介质或电子设备，在原模型的基础上，可以快速得到有效削弱电机固有轴电压的磁极极弧系数组合，方法简单，轴电压削弱效果好。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1提供的削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成方法的流程示意图。
图2为本公开实施例1提供的不同极弧系数组合时磁动势沿气隙圆周的分布。
图3为本公开实施例1提供的4极6槽电机不同极弧系数组合与原模型的轴电压曲线对比图。
图4为本公开实施例1提供的4极6槽电机不同极弧系数组合与原模型的轴电压频谱对比图。
图5为本公开实施例1提供的4极9槽电机不同极弧系数组合与原模型的轴电压曲线对比图。
图6为本公开实施例1提供的4极9槽电机不同极弧系数组合与原模型的轴电压频谱对比图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
如图1所示，本公开实施例1提供了一种削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成方法，包括以下过程：
获取内置式永磁同步电机的极槽配合数据；
根据磁极不同极弧系数组合下的磁动势沿气隙圆周的分布，得到磁动势的傅里叶展开式；
根据获取的极槽配合数据以及磁动势的傅里叶展开式，得到与固有轴电压基波相关的磁动势傅里叶分解系数；
以磁动势的傅里叶分解系数值为零为目标，得到能够削弱固有轴电压的极弧系数组合。
具体的工作原理为：
内置式永磁同步电机的固有轴电压是由于极槽配合导致的磁路不平衡产生的。单元电机定子槽数为奇数时，电机内部磁路不平衡，会产生环绕转轴的气隙磁通，从而在转轴感应出固有轴电压；根据内置式永磁同步电机的固有轴电压解析表达式，固有轴电压的大小与气隙磁导傅里叶分解系数、磁动势傅里叶分解系数成正比。通过采用磁极不同极弧系数组合设计，使与固有轴电压基波相关的磁动势傅里叶分解系数Fn值为零，从而削弱固有轴电压。
具体的，包括以下内容：
磁极不同极弧系数组合时的磁动势沿气隙圆周的分布如图2所示。
图中，θ的原点位于一个永磁体磁极中心线上，p为极对数，F1、F2分别为相邻的两个永磁体磁动势幅值，αp1、αp2分别为相邻的两个永磁体极弧系数，αp1F1＝αp2F2。
磁动势的傅里叶展开式为：
Figure BDA0003058098800000051
磁动势的傅里叶分解系数Fn为：
Figure BDA0003058098800000061
内置式永磁同步电机的固有轴电压解析表达式为
Figure BDA0003058098800000062
式中，ωe为电角速度，fs为同步转速频率，λk为气隙磁导的k阶谐波分量，k＝1,2…，F2n-1为磁动势的第2n-1次谐波幅值，n＝1,2…，SL为环绕转轴的气隙磁通面积，fsvi为固有轴电压频率，N0为单元电机定子槽数，p0为单元电机极对数。
从固有轴电压解析表达式可以看出，削弱与轴电压基波相关的磁动势的傅里叶分解系数Fn，可以削弱内置式永磁同步电机固有轴电压。
原电机的磁极极弧系数为αp1，代入式(2)中，令式(2)值为零。
运用Matlab或者其他数据分析软件，求得αp2值，即得到不同极弧系数组合值。
为了进一步说明采用磁极不同极弧系数组合设计可以削弱固有轴电压,具体以实施例进行说明验证。
作为优选，有限元分析软件选择Ansoft Maxwell。
例如，4极6槽、4极9槽内置式永磁同步电机，同步转速频率为400Hz。其单元电机定子槽数均为奇数，分别为3、9，因此两台电机均存在固有轴电压，固有轴电压基波频率分别为1200Hz、3600Hz，与固有轴电压基波相关的磁动势傅里叶分解系数分别为F3、F9。
4极6槽、4极9槽内置式永磁同步电机原模型磁极的极弧系数分别为0.825、0.75。
当采用磁极不同极弧系数组合设计时，将4极6槽电机的极弧系数αp1＝0.825代入式(2)中，令Fn值为零，即F3值为零，运用matlab软件，求得αp2分别为0.565，因此极弧系数组合为(0.825,0.565)。
当采用磁极不同极弧系数组合设计时，将4极9槽电机的极弧系数αp1＝0.75代入式(2)中，令Fn值为零，即F9值为零，运用matlab软件，求得αp2分别为0.607，因此极弧系数组合为(0.75,0.607)。
4极6槽电机不同极弧系数组合与原模型的轴电压曲线对比图如图3所示，可以看出固有轴电压得到大幅度削弱。
4极6槽电机不同极弧系数组合与原模型的轴电压频谱对比图如图4所示，可以看出固有轴电压基波幅值得到削弱。
4极9槽电机不同极弧系数组合与原模型的轴电压曲线对比图如图5所示，可以看出固有轴电压得到大幅度削弱。
4极9槽电机不同极弧系数组合与原模型的轴电压频谱对比图如图6所示，可以看出固有轴电压基波幅值得到削弱。
实施例2：
本公开实施例2提供了一种削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成系统。
一种削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成系统，包括：
数据获取模块，被配置为：获取内置式永磁同步电机的极槽配合数据；
磁动势傅里叶展开模块，被配置为：根据磁极不同极弧系数组合下的磁动势沿气隙圆周的分布，得到磁动势的傅里叶展开式；
磁动势傅里叶分解系数获取模块，被配置为：根据获取的极槽配合数据以及磁动势的傅里叶展开式，得到与固有轴电压基波相关的磁动势傅里叶分解系数；
极弧系数组合生成模块，被配置为：以磁动势的傅里叶分解系数值为零为目标，得到能够削弱固有轴电压的极弧系数组合。
所述系统的工作方法与实施例1提供的削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成方法相同，这里不再赘述。
实施例3：
本公开实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成方法中的步骤。
实施例4：
本公开实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例1所述的削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成方法中的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成方法，其特征在于：包括以下过程：
获取内置式永磁同步电机的极槽配合数据；
根据磁极不同极弧系数组合下的磁动势沿气隙圆周的分布，得到磁动势的傅里叶展开式；
根据获取的极槽配合数据以及磁动势的傅里叶展开式，结合相邻永磁体磁动势幅值和相邻的两个永磁体极弧系数，得到与固有轴电压基波相关的磁动势傅里叶分解系数；相邻两个磁极的极弧系数不相等，相隔两个极距的磁极的极弧系数相等；
以磁动势的傅里叶分解系数值为零为目标，得到能够削弱固有轴电压的极弧系数组合；
所述的磁动势的傅里叶展开式为：
Figure FDA0003871476260000011
式中，p为极对数，θ的原点位于一个永磁体磁极中心线上；
所述的磁动势傅里叶分解系数Hm为：
Figure FDA0003871476260000012
式中，F1为永磁体磁动势幅值，αp1、αp2分别为相邻的两个永磁体极弧系数，m＝1,2,3…；
内置式永磁同步电机的固有轴电压解析表达式为：
Figure FDA0003871476260000021
Figure FDA0003871476260000022
式中，ωe为电角速度，fs为同步转速频率，λk为气隙磁导的k阶谐波分量，k＝1,2…，F2n-1为磁动势的第2n-1次谐波幅值，n＝1,2…，SL为环绕转轴的气隙磁通面积，fsvi为固有轴电压频率，N0为单元电机定子槽数，p0为单元电机极对数。
2.如权利要求1所述的削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成方法，其特征在于：
极弧系数组合为相邻的两个永磁体极弧系数。
3.如权利要求1所述的削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成方法，其特征在于：
两个永磁体极弧系数中，一个为原电机模型磁极极弧系数，使磁动势的傅里叶分解系数值为零，得到另一个极弧系数。
4.一种削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成系统，其特征在于：包括：
数据获取模块，被配置为：获取内置式永磁同步电机的极槽配合数据；
磁动势傅里叶展开模块，被配置为：根据磁极不同极弧系数组合下的磁动势沿气隙圆周的分布，得到磁动势的傅里叶展开式；
磁动势傅里叶分解系数获取模块，被配置为：根据获取的极槽配合数据以及磁动势的傅里叶展开式，结合相邻永磁体磁动势幅值和相邻的两个永磁体极弧系数，得到与固有轴电压基波相关的磁动势傅里叶分解系数；相邻两个磁极的极弧系数不相等，相隔两个极距的磁极的极弧系数相等；
所述的磁动势的傅里叶展开式为：
Figure FDA0003871476260000031
式中，p为极对数，θ的原点位于一个永磁体磁极中心线上；
所述的磁动势傅里叶分解系数Hm为：
Figure FDA0003871476260000032
式中，F1为永磁体磁动势幅值，αp1、αp2分别为相邻的两个永磁体极弧系数，m＝1,2,3…；
极弧系数组合生成模块，被配置为：以磁动势的傅里叶分解系数值为零为目标，得到能够削弱固有轴电压的极弧系数组合；
内置式永磁同步电机的固有轴电压解析表达式为：
Figure FDA0003871476260000033
Figure FDA0003871476260000034
式中，ωe为电角速度，fs为同步转速频率，λk为气隙磁导的k阶谐波分量，k＝1,2…，F2n-1为磁动势的第2n-1次谐波幅值，n＝1,2…，SL为环绕转轴的气隙磁通面积，fsvi为固有轴电压频率，N0为单元电机定子槽数，p0为单元电机极对数。
5.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-3任一项所述的削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成方法中的步骤。
6.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-3任一项所述的削弱固有轴电压的磁极不同极弧系数组合生成方法中的步骤。
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