CN113221396B - 一种电机集中参数模型建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电机集中参数模型建模方法，包括如下步骤：S1、根据电机结构参数，构建电机有限元模型；S2、设定定转子激励参数、转子位置，计算有限元模型；设定扫描最大角度；然后，来构造各磁链、电感曲线；对绕组不同电流组合进行扫描；S3、根据有限元扫描结果，提取电感、磁链参数，同时根据绕组、鼠笼条和端环参数计算相应的电阻；S4、对获得的电感、磁链参数曲线进行光滑处理；S5、在电路仿真器中构建电机模型；S6、基于节点电压法，构建电气系统非线性求解模型。本发明方法对获得的电感、磁链参数曲线进行光滑处理，消除了曲线的数值计算误差，从而提高了模型精度，还可以有效提高模型的求解效率和收敛性能。
Description
技术领域
本发明涉及计算机虚拟仿真技术领域，具体为一种电机集中参数模型建模方法。
背景技术
三相感应电机、电励磁同步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机、无刷直流电机等电机广泛应用于航空、航天、舰船、兵器以及轨道交通等电气系统中，是电气系统中的主要的发电与用电设备，其仿真模型精度对电气系统的准确分析起着至关重要的因素。
目前在电气综合仿真中，通常根据电机类型及其基本特征建立理想模型，例如对于三相感应电机仅考虑其磁动势和磁导基波采用等效模型，电励磁同步电机、永磁同步电机通常考虑电机气隙磁导的基波和二次谐波，磁动势则忽略高次谐波，建立相应的d-q轴模型，对于永磁无刷直流电机，则忽略气隙磁导谐波，并假设其反电势波形为梯形波等。这种建模方法能考虑电机的基本特征，但是无法有效反应电机饱和、谐波等特征。有鉴于此，基于多回路模型的电机建模方法在系统仿真中得到应用，其中电机参数由有限元模型提取后传入电机集中参数模型，该方法通过有限元分析，可以考虑电机空间谐波和饱和因素，但是由于数值计算误差的影响，有限元法无法保证输出的电感曲线、磁链曲线光滑，在对电机模型进行求导运算时，将会在系统仿真中引入较为明显的谐波误差，并且影响电机模型的求解效率和收敛性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电机集中参数模型建模方法，以解决上述背景技术中提出的问题。从而提高电机模型的仿真精度，减小数值计算误差。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种电机集中参数模型建模方法，包括如下步骤：
S1、根据电机结构参数，构建电机有限元模型；
S2、设定定转子激励参数、转子位置，计算有限元模型；根据电机类型、相数、极对数，设定扫描最大角度；然后，根据磁链、电感的奇谐函数特征，来构造各磁链、电感曲线；对绕组不同电流组合进行扫描；当对多相绕组电机或者鼠笼条进行扫描时，采用等效电流矢量来进行扫描；
S3、根据有限元扫描结果，提取电感、磁链参数，同时根据绕组、鼠笼条和端环参数计算相应的电阻；
S4、对获得的电感、磁链参数曲线进行光滑处理，消除曲线的数值计算误差，制作对应的离线数据表；
S5、在电路仿真器中构建电机模型；
S6、基于节点电压法，构建电气系统非线性求解模型。
作为本发明进一步的方案，所述步骤S1中的电机结构参数包括电机定转子冲片结构参数、绕组排布参数、磁钢结构参数以及边界条件。
作为本发明进一步的方案，所述步骤S4中光滑处理的具体方法为：对电感、磁链参数曲线进行FFT分析，得到主要的分量，电感参数对应的分量包括直流分量和主要的谐波分量；永磁体磁链参数对应的分量包括基波分量和各次幅值较大的谐波分量；在根据谐波幅值获取永磁体磁链参数对应的分量时，需要乘以谐波次数后，对谐波分量进行排序。
作为本发明进一步的方案，所述步骤S4中光滑处理的具体方法为：采用加权最小二乘法进行数据处理，使得电感、磁链参数一阶导数连续。
作为本发明进一步的方案，所述步骤S5中，在对多回路的电机模型进行建模时，以电机各套绕组、导条为基础单元。
作为本发明进一步的方案，所述步骤S5的电机模型中包含各绕组、鼠笼导条构成的电路方程，这些电路方程与其他外部电路构成总的迭代方程，同步求解电路节点电压，电机的机械运动模型与电路模型之间通过电磁转矩与位置参数构成弱耦合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种电机集中参数模型建模方法，通过有限元法提取电机电感、磁链等曲线参数，并对其进行数据后处理，滤除电机模型参数中的数值计算误差，从而提高模型精度，同时由于模型后处理后电磁参数曲线光滑，因此，可以有效提高模型的求解效率和收敛性能。
附图说明
图1为一种电机集中参数模型建模方法的流程示意图；
图2a为本发明中对某一三相永磁同步电机A相绕组电感进行光滑处理前后电感曲线的对比图；
图2b为图2a中的部分放大图；
图3a为本发明中对某一三相永磁同步电机A相绕组电感进行光滑处理前后电感一阶导数的对比图；
图3b为图3a中的部分放大图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
实施例1：请参阅图1、图2a和图2b，本发明提供一种技术方案：一种电机集中参数模型建模方法，包括如下步骤：
S1、根据电机结构参数，构建电机有限元模型；所述步骤S1中的电机结构参数包括电机定转子冲片结构参数、绕组排布参数、磁钢结构参数以及边界条件；
S2、设定定转子激励参数、转子位置，计算有限元模型；根据电机类型、相数、极对数，设定扫描最大角度，例如对于三相永磁同步电机，可以设定转子最大扫描角度为60度；然后，根据磁链、电感的奇谐函数特征，来构造各磁链、电感曲线；考虑到饱和因素，对绕组不同电流组合进行扫描；当对多相绕组电机或者鼠笼条进行扫描时，如果对所有的绕组进行参数化扫描，显然扫描运算量极其庞大，因此，可以采用等效电流矢量来进行扫描；
S3、根据有限元扫描结果，提取电感、磁链参数，同时根据绕组、鼠笼条和端环参数计算相应的电阻；
S4、对获得的电感、磁链参数曲线进行光滑处理，消除曲线的数值计算误差，制作对应的离线数据表；
所述步骤S4中光滑处理的具体方法为：对电感、磁链参数曲线进行FFT分析，得到主要的分量，电感参数对应的分量包括直流分量和主要的谐波分量；永磁体磁链参数对应的分量包括基波分量和各次幅值较大的谐波分量；在根据谐波幅值获取永磁体磁链参数对应的分量时，需要乘以谐波次数后，对谐波分量进行排序；
图2a所示为对某一三相永磁同步电机A相绕组电感进行光滑处理前后电感曲线的对比图，图2b所示为其部分放大图，显然，曲线光滑处理前后电感数值基本不变，而由于数值计算引进的误差，在导数运算时，数据修正效果非常明显，经过光滑处理后，其数据更合理；
S5、在电路仿真器中构建电机模型；在对多回路的电机模型进行建模时，以电机各套绕组、导条为基础单元；因此，可以对电机的空间谐波进行准确评估，同时可以对电机绕组不对称、故障状态进行分析；
S6、基于节点电压法，构建电气系统非线性求解模型。电机模型中包含各绕组、鼠笼导条构成的电路方程，这些电路方程与其他外部电路构成总的迭代方程，同步求解电路节点电压，电机的机械运动模型与电路模型之间通过电磁转矩与位置参数构成弱耦合。电路方程的电磁参数来自于步骤S4中制作的离线数据表，根据机械运动返回的电机位置参数进行查表获取。由于查表获取的电感参数需要在求导后参与非线性迭代求解，因此，当电感曲线不光滑时，会增加电机模型迭代次数，降低仿真效率，并且可能引起迭代次数溢出，甚至不收敛。
而本发明方法对获得的电感、磁链参数曲线进行光滑处理，消除了曲线的数值计算误差，从而提高了模型精度，还可以有效提高模型的求解效率和收敛性能。
实施例2：请参阅图1、图3a和图3b，本发明提供一种技术方案：一种电机集中参数模型建模方法，包括如下步骤：
S1、根据电机结构参数，构建电机有限元模型；所述步骤S1中的电机结构参数包括电机定转子冲片结构参数、绕组排布参数、磁钢结构参数以及边界条件；
S2、设定定转子激励参数、转子位置，计算有限元模型；根据电机类型、相数、极对数，设定扫描最大角度；然后，根据磁链、电感的奇谐函数特征，来构造各磁链、电感曲线；对绕组不同电流组合进行扫描；当对多相绕组电机或者鼠笼条进行扫描时，采用等效电流矢量来进行扫描；
S3、根据有限元扫描结果，提取电感、磁链参数，同时根据绕组、鼠笼条和端环参数计算相应的电阻；
S4、对获得的电感、磁链参数曲线进行光滑处理，消除曲线的数值计算误差，制作对应的离线数据表；
所述步骤S4中光滑处理的具体方法为：采用加权最小二乘法进行数据处理，使得电感、磁链参数一阶导数连续；相较于FFT分析方法，该方法主要的优点是可以确保参数曲线相位准确性；
图3a所示为对某一三相永磁同步电机A相绕组电感进行光滑处理前后电感曲线一阶导数的对比图，图3b所示为其部分放大图，显然，曲线光滑处理前后电感数值基本不变，而由于数值计算引进的误差，在导数运算时数据修正效果非常明显，经过光滑处理后，其数据更合理。
S5、在电路仿真器中构建电机模型；在对多回路的电机模型进行建模时，以电机各套绕组、导条为基础单元。
S6、基于节点电压法，构建电气系统非线性求解模型。电机模型中包含各绕组、鼠笼导条构成的电路方程，这些电路方程与其他外部电路构成总的迭代方程，同步求解电路节点电压，电机的机械运动模型与电路模型之间通过电磁转矩与位置参数构成弱耦合。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.一种电机集中参数模型建模方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、根据电机结构参数，构建电机有限元模型；
S2、设定定转子激励参数、转子位置，计算有限元模型；根据电机类型、相数、极对数，设定扫描最大角度；然后，根据磁链、电感的奇谐函数特征，来构造各磁链、电感曲线；对绕组不同电流组合进行扫描；当对多相绕组电机或者鼠笼条进行扫描时，采用等效电流矢量来进行扫描；
S3、根据有限元扫描结果，提取电感、磁链参数，同时根据绕组、鼠笼条和端环参数计算相应的电阻；
S4、对获得的电感、磁链参数曲线进行光滑处理，消除曲线的数值计算误差，制作对应的离线数据表，其中，所述光滑处理为对电感、磁链参数曲线进行FFT分析或者采用加权最小二乘法进行数据处理，使得电感、磁链参数一阶导数连续；
S5、在电路仿真器中构建电机模型；
S6、基于节点电压法，构建电气系统非线性求解模型。
2.根据权利要求1所述的一种电机集中参数模型建模方法，其特征在于：所述步骤S1中的电机结构参数包括电机定转子冲片结构参数、绕组排布参数、磁钢结构参数以及边界条件。
3.根据权利要求1所述的一种电机集中参数模型建模方法，其特征在于：所述步骤S4中：对电感、磁链参数曲线进行FFT分析，得到电感参数对应的分量和永磁体磁链参数对应的分量，电感参数对应的分量包括直流分量和主要的谐波分量；永磁体磁链参数对应的分量包括基波分量和各次幅值较大的谐波分量；在根据谐波幅值获取永磁体磁链参数对应的分量时，需要乘以谐波次数后，对谐波分量进行排序。
4.根据权利要求1所述的一种电机集中参数模型建模方法，其特征在于：所述步骤S5中，在对多回路的电机模型进行建模时，以电机各套绕组、导条为基础单元。
5.根据权利要求1所述的一种电机集中参数模型建模方法，其特征在于：所述步骤S5的电机模型中包含各绕组、鼠笼导条构成的电路方程，这些电路方程与其他外部电路构成总的迭代方程，同步求解电路节点电压，电机的机械运动模型与电路模型之间通过电磁转矩与位置参数构成弱耦合。
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