CN116956666A - 一种考虑三维磁密分布的轴向不对称电机铁耗计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑三维磁密分布的轴向不对称电机铁耗计算方法，属于电机铁耗计算领域，所述方法包括：首先对轴向不对称电机的铁心进行分区；然后在各区域内选择关键点进行径、切、轴向三维磁密波形和三维磁密轨迹分析；其次傅里叶分解得到各区域内磁密各次谐波的三维椭圆轨迹长、短轴；之后建立含有三维磁密畸变率的铁耗计算模型；最后通过所提出的模型计算电机铁耗。本发明提出的铁耗计算方法通过引入三维磁密畸变率对包括磁滞损耗系数和涡流损耗系数在内的铁耗系数进行修正，从而充分考虑三维磁密分布对铁耗的影响，实现了轴向不对称电机铁耗的准确计算。

Description

一种考虑三维磁密分布的轴向不对称电机铁耗计算方法

技术领域

本发明涉及电机铁耗计算领域，特别是指一种考虑三维磁密分布的轴向不对称电机铁耗计算方法。

背景技术

相较于传统轴向对称电机而言，爪极电机和轴向电机更好地利用了三维磁场，爪极电机电励磁系统简单，单个励磁线圈即可实现多极对模式，轴向电机具有高功率密度、高效率、空间紧凑等特点，因此被广泛应用于电动汽车、航空等领域。但是由于其电机结构轴向不对称性导致的铁心中存在丰富的谐波磁场，使得该类电机在设计过程中铁耗计算困难，准确评估轴向不对称电机的铁耗对其实现高效率设计至关重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种考虑三维磁密分布的轴向不对称电机铁耗计算方法，以克服传统电机铁耗计算方法未考虑电机轴向不对称性导致结果不够精确的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种考虑三维磁密分布的轴向不对称电机铁耗计算方法，包括：

步骤1：电机铁心分区

将电机铁心依据磁密分布特征分为若干区域，每个区域又沿轴向均分为2-4个子区域；

步骤2：铁心各子区域关键点选取

在每个子区域中选取典型代表点进行三维磁密分布分析，选取的原则为：(1)沿径向和轴向均匀取点；(2)研究所选取点的磁密随转子位置的变化；(3)选取磁密变化趋势折中的点作为该子区域关键点；

步骤3：关键点三维磁密分布分析

通过仿真软件进行三维有限元分析，得到子区域关键点径向磁密、切向磁密和轴向磁密在一个周期内随转子位置变化的曲线图，以及对应的无规则三维磁密轨迹图；

步骤4：傅里叶分解得到各子区域内磁密各次谐波规则三维椭圆轨迹

通过仿真软件对无规则三维磁密轨迹进行傅里叶分解，得到磁密各次谐波规则三维椭圆轨迹；

步骤5：求出B_maji,B_mini,B_majm,B_minm,B_majTHD,B_minTHD

根据各子区域内磁密各次谐波规则三维椭圆轨迹的长、短轴磁密B_maji,B_mini，进一步计算得到各子区域长、短轴磁密幅值B_majm,B_minm以及各子区域长、短轴磁密畸变率B_majTHD,B_minTHD；

步骤6：建立考虑三维磁密分布的子区域铁耗密度计算模型

考虑三维磁密分布的子区域铁耗密度P_Fe计算模型主要包括四部分：长、短轴磁滞损耗和长、短轴涡流损耗，计算公式如下：

其中，K′_hmajsum、K′_hminsum、K′_emajsum和K′_eminsum分别为修正后的长、短轴磁滞损耗系数和长、短轴涡流损耗系数；f_N为磁密基波频率；B_maj1和B_min1为磁密基波规则三维椭圆轨迹的长、短轴磁密；α为根据铁心材料确定的系数；a(B)、b(B)、c(B)为铁心材料铁耗密度P_ironloss与磁密变化频率f之间关系曲线中的拟合系数；

步骤7：计算电机总铁耗

将每个子区域关键点的磁密值及对应的三维磁密畸变率依次带入上述铁耗密度P_Fe计算模型中求解得到各子区域的铁耗密度值，将铁耗密度值乘以对应子区域的体积，即可得到该子区域的铁耗值，电机总铁耗为各个子区域铁耗的总和。

本发明具有以下有益效果：

本发明提出了一种考虑三维磁密分布的轴向不对称电机铁耗计算方法，通过引入三维磁密畸变率对包括磁滞损耗系数和涡流损耗系数在内的铁耗系数进行进一步修正，以充分考虑电机轴向不对称引起的三维磁密的影响，实现对电机铁耗的准确分析。

附图说明

图1为本发明考虑三维磁密分布的轴向不对称电机铁耗计算方法的流程示意图；

图2为本发明中电机铁心分区图；

图3为本发明中电机子区域As-1关键点选取示意图；

图4为本发明中电机子区域关键点的三维磁密变化图；

图5为本发明中电机子区域关键点的各次谐波含量图；

图6为本发明中电机子区域关键点的三维磁密轨迹图；

图7为本发明中电机子区域各次谐波磁密轨迹图；

图8为本发明中修正铁耗系数中a(B)、b(B)、c(B)拟合曲线图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种考虑三维磁密分布的轴向不对称电机铁耗计算方法，如图1所示，包括：

步骤1：电机铁心分区

将电机铁心依据磁密分布特征分为若干区域，每个区域又沿轴向均分为2-4个子区域；

优选的，本步骤1中，电机铁心可分为11个区域，分别为转子齿尖区域Ar、转子齿根区域Dr、转子轭部区域Cr、定子调制齿齿尖区域As、定子调制齿齿根区域Bs、定子调制齿轭部与定子调制齿齿根直接相连的区域Cs、定子调制齿轭部与定子调制齿齿根不直接相连的区域Ds、定子爪极齿沿径向与Ds正对的区域Fs、定子爪极齿除Fs以外的区域Es、定子轭部沿径向与Fs正对的区域Hs、定子轭部除Hs以外的区域Gs。

具体实施时，结合图2，以轴向不对称电机代表之一的定子单体励磁爪极场调制电机为例，将电机铁心依据磁密分布特征分为若干区域，其中As,Bs,Cs,Ds,Gs,Hs,Ar,Cr和Dr区域轴向又分为4个子区域，Es和Fs区域轴向分为2个子区域。

步骤2：铁心各子区域关键点选取

在每个子区域中选取典型代表点进行三维磁密分布分析，选取的原则为：(1)沿径向和轴向均匀取点；(2)研究所选取点的磁密随转子位置的变化；(3)选取磁密变化趋势折中的点作为该子区域关键点；

具体实施时，结合图3，在每个子区域中选取典型代表点进行三维磁密分布分析，以As-1子区域为例，共选取了1、2、3、4、5共五个关键点。

步骤3：关键点三维磁密分布分析

通过仿真软件如JMAG进行三维有限元分析，得到子区域关键点径向磁密、切向磁密和轴向磁密在一个周期内随转子位置变化的曲线图，以及对应的无规则三维磁密轨迹图；

具体实施时，通过仿真软件JMAG进行三维有限元分析，得到子区域关键点径向磁密、切向磁密和轴向磁密在一个周期内随转子位置变化的曲线图和谐波含量图分别如图4、图5所示，以及图6展示的对应的无规则三维磁密轨迹图。

步骤4：傅里叶分解得到各子区域内磁密各次谐波规则三维椭圆轨迹

通过仿真软件如Matlab对无规则三维磁密轨迹进行傅里叶分解，得到磁密各次谐波规则三维椭圆轨迹；

具体实施时，通过仿真软件Matlab对图6中无规则三维磁密轨迹进行傅里叶分解，得到图7的磁密各次谐波规则三维椭圆轨迹。

步骤5：求出B_maji,B_mini,B_majm,B_minm,B_majTHD,B_minTHD

根据各子区域内磁密各次谐波规则三维椭圆轨迹(图7)的长、短轴磁密B_maji,B_mini，进一步计算得到各子区域长、短轴磁密幅值B_majm,B_minm以及各子区域长、短轴磁密畸变率B_majTHD,B_minTHD；

优选的，本步骤5中，各子区域长、短轴磁密幅值B_majm,B_minm以及各子区域长、短轴磁密畸变率B_majTHD,B_minTHD的计算公式如下：

步骤6：建立考虑三维磁密分布的子区域铁耗密度计算模型

考虑三维磁密分布的子区域铁耗密度P_Fe计算模型主要包括四部分：长、短轴磁滞损耗和长、短轴涡流损耗，计算公式如下：

其中，K′_hmajsum、K′_hminsum、K′_emajsum和K′_eminsum分别为修正后的长、短轴磁滞损耗系数和长、短轴涡流损耗系数；f_N为磁密基波频率；B_maj1和B_min1为磁密基波规则三维椭圆轨迹的长、短轴磁密；α为根据铁心材料确定的系数，可由JMAG软件获得；a(B)、b(B)、c(B)为铁心材料铁耗密度P_ironloss与磁密变化频率f之间关系曲线(图8)中的拟合系数；

优选的，本步骤6中，系数a(B)、b(B)、c(B)通过下述流程进行拟合求取：首先将仿真软件如JMAG提供的铁心材料在不同磁密变化频率f下的铁耗密度P_ironloss与磁密B之间的关系曲线转化为在不同磁密B下的铁耗密度P_ironloss与磁密变化频率f之间的关系曲线，其函数表达式如下：

P_ironloss＝a(B)f³+b(B)f²+c(B)f

不同磁密B下的铁耗密度P_ironloss与磁密变化频率f之间的关系曲线均对应一组确定的a、b、c数值，在此基础上，将a、b、c与磁密B的关系进行拟合处理，即可得到系数a(B)、b(B)、c(B)。

步骤7：计算电机总铁耗

将每个子区域关键点的磁密值及对应的三维磁密畸变率依次带入上述铁耗密度P_Fe计算模型中求解得到各子区域的铁耗密度值，将铁耗密度值乘以对应子区域的体积，即可得到该子区域的铁耗值，电机总铁耗为各个子区域铁耗的总和。

本实施例中，所述铁耗计算方法计及了三维磁密分布对铁耗的影响；所述轴向不对称电机可以为定子单体励磁爪极场调制电机。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提出的铁耗计算方法相对于传统的铁耗计算方法额外考虑了三维磁密分布对铁耗的影响，计算准确性有所提高。

(2)本发明提出的铁耗计算方法采用拟合的手段对铁耗系数进行了进一步处理，易于理解，方便操作，计算过程简便。

(3)本发明提出的铁耗计算方法适用于包括轴向电机和爪极电机在内的所有轴向不对称电机的铁耗计算。

(4)本发明提出的铁耗计算方法可以计算不同工况下的铁耗值，如不同励磁电流、不同负载电流、不同转速。

以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种考虑三维磁密分布的轴向不对称电机铁耗计算方法，其特征在于，包括：

步骤1：电机铁心分区

将电机铁心依据磁密分布特征分为若干区域，每个区域又沿轴向均分为2-4个子区域；

步骤2：铁心各子区域关键点选取

在每个子区域中选取典型代表点进行三维磁密分布分析，选取的原则为：(1)沿径向和轴向均匀取点；(2)研究所选取点的磁密随转子位置的变化；(3)选取磁密变化趋势折中的点作为该子区域关键点；

步骤3：关键点三维磁密分布分析

通过仿真软件进行三维有限元分析，得到子区域关键点径向磁密、切向磁密和轴向磁密在一个周期内随转子位置变化的曲线图，以及对应的无规则三维磁密轨迹图；

步骤4：傅里叶分解得到各子区域内磁密各次谐波规则三维椭圆轨迹

通过仿真软件对无规则三维磁密轨迹进行傅里叶分解，得到磁密各次谐波规则三维椭圆轨迹；

步骤5：求出B_maji,B_mini,B_majm,B_minm,B_majTHD,B_minTHD

根据各子区域内磁密各次谐波规则三维椭圆轨迹的长、短轴磁密B_maji,B_mini，进一步计算得到各子区域长、短轴磁密幅值B_majm,B_minm以及各子区域长、短轴磁密畸变率B_majTHD,B_minTHD；

步骤6：建立考虑三维磁密分布的子区域铁耗密度计算模型

考虑三维磁密分布的子区域铁耗密度P_Fe计算模型主要包括四部分：长、短轴磁滞损耗和长、短轴涡流损耗，计算公式如下：

其中，K′_hmajsum、K′_hminsum、K′_emajsum和K′_eminsum分别为修正后的长、短轴磁滞损耗系数和长、短轴涡流损耗系数；f_N为磁密基波频率；B_maj1和B_min1为磁密基波规则三维椭圆轨迹的长、短轴磁密；α为根据铁心材料确定的系数；a(B)、b(B)、c(B)为铁心材料铁耗密度P_ironloss与磁密变化频率f之间关系曲线中的拟合系数；

步骤7：计算电机总铁耗

将每个子区域关键点的磁密值及对应的三维磁密畸变率依次带入上述铁耗密度P_Fe计算模型中求解得到各子区域的铁耗密度值，将铁耗密度值乘以对应子区域的体积，即可得到该子区域的铁耗值，电机总铁耗为各个子区域铁耗的总和。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，电机铁心分为11个区域，分别为转子齿尖区域Ar、转子齿根区域Dr、转子轭部区域Cr、定子调制齿齿尖区域As、定子调制齿齿根区域Bs、定子调制齿轭部与定子调制齿齿根直接相连的区域Cs、定子调制齿轭部与定子调制齿齿根不直接相连的区域Ds、定子爪极齿沿径向与Ds正对的区域Fs、定子爪极齿除Fs以外的区域Es、定子轭部沿径向与Fs正对的区域Hs、定子轭部除Hs以外的区域Gs。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5中，各子区域长、短轴磁密幅值B_majm,B_minm以及各子区域长、短轴磁密畸变率B_majTHD,B_minTHD的计算公式如下：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6中，系数a(B)、b(B)、c(B)通过下述流程进行拟合求取：首先将仿真软件提供的铁心材料在不同磁密变化频率f下的铁耗密度P_ironloss与磁密B之间的关系曲线转化为在不同磁密B下的铁耗密度P_ironloss与磁密变化频率f之间的关系曲线，其函数表达式如下：

P_ironloss＝a(B)f³+b(B)f²+c(B)f

不同磁密B下的铁耗密度P_ironloss与磁密变化频率f之间的关系曲线均对应一组确定的a、b、c数值，在此基础上，将a、b、c与磁密B的关系进行拟合处理，即可得到系数a(B)、b(B)、c(B)。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轴向不对称电机为定子单体励磁爪极场调制电机。