[发明专利]一种含有不等厚磁极的表贴式永磁电机磁场优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及永磁电机磁场计算领域，尤其涉及一种含有不等厚磁极的表贴式永磁电机磁场优化方法。

背景技术

表贴式永磁电机具有较高的效率、功率因数和转矩密度，因而被广泛应用到电梯、风电、混合动力汽车等众多工业领域中。其中，永磁体磁极作为永磁电机的重要组成部分之一，直接影响着电机制造的成本高低和整个系统的性能优劣。目前，表贴式永磁电机中常用的磁极结构为径向等厚磁极，充磁方式为径向充磁或平行充磁。含有该形状磁极的永磁电机往往具有齿槽转矩大、反电势谐波含量高等缺点，难以达到用户要求。经国内外学者研究发现，通过对表贴式永磁电机磁极进行优化，采用不等厚磁极结构，不仅可以节省永磁体材料，简化磁极加工，而且可以有效改善电机反电势波形，抑制电机转矩脉动，显著提高电机整体性能。

磁场计算是进行电机设计的重要步骤之一，也是分析永磁电机性能的基础和前提。为了获得电机内的磁场分布，研究设计参数对永磁电机性能的影响，人们开发了许多方法，主要可以分为三类，即等效磁路法、数值法和解析法。其中，解析法以其计算速度快、准确度高、便于分析参数之间关系等优点，成为电机理论分析的重要研究手段。目前，对于传统等厚磁极结构的表贴式永磁电机已有较为成熟的磁场解析方法，子域模型法便是其中之一。该方法不仅可以充分考虑定子槽间的相互耦合情况，而且巧妙利用矩阵计算有效地将定子齿槽与转子磁极对磁场的作用反映出来，准确度较高，因而受到了广大电机研究人员的关注。然而，当永磁体磁极优化后，其径向厚度往往不再均匀，电机结构变得更为复杂，使得常规子域模型法难以对转子磁极边界进行数学描述，从而无法完成不等厚磁极永磁电机的磁场解析建模。由于缺少有效的磁场解析计算方法，导致研究人员在对含有不等厚磁极的表贴式永磁电机进行特性分析及优化设计时受到了较大限制。

发明内容

本发明提供了一种含有不等厚磁极的表贴式永磁电机磁场优化方法，本发明克服了常规子域模型法的不足，获得的磁场计算结果，可进一步用于计算其他电磁性能，详见下文描述：

一种含有不等厚磁极的表贴式永磁电机磁场优化方法，所述方法包括以下步骤：

(1)对不等厚磁极沿圆周方向进行离散分割，将其等效为N块均匀离散的永磁体块，对每极下的各永磁体块进行编号；

(2)将研究区域分为永磁体区域、气隙区域和定子槽区域三部分；

(3)在极坐标系下，建立三类区域内的标量磁位方程；

(4)建立转子铁心-永磁体磁极，永磁体磁极-气隙，气隙-定子槽三个区域的磁场边界条件；

(5)根据标量磁位方程和磁场边界条件，获得仅含有单组等厚磁极的永磁电机磁场分布解析模型；

(6)将所有单组等厚磁极永磁电机的磁场计算结果进行叠加，获得实际不等厚磁极永磁电机的磁场解析表达式。

所述将研究区域分为永磁体区域、气隙区域和定子槽区域三部分的步骤具体为：

(1)第j组永磁体中，区域1j内的标量磁位方程为

其中，

(2)气隙中，区域2内的标量磁位方程方程为

(3)第i个定子槽中，区域3i内的标量磁位方程为

式中，对于电机内的任意一点，在极坐标系下，用r表示该点到电机圆心的半径，用α表示该点的机械位置角，为该点处的标量磁位；k、m为对应变量的谐波次数；A_1k、B_1k、C_1k、D_1k、A_2k、B_2k、C_2k、D_2k以及X_3im为标量磁位方程中对应变量的系数；μ_r为永磁体相对磁导率；M_cjk、M_sjk为第j组永磁体剩余磁化强度M_j经傅立叶分解后的各次谐波幅值；α_b为定子槽口对应的机械角度；α_i为第i个定子槽中心处的机械位置角；R_sb为定子槽槽底处的半径。

所述建立转子铁心-永磁体磁极，永磁体磁极-气隙，气隙-定子槽三个区域的磁场边界条件的步骤具体为：

(1)转子铁心与永磁体磁极交界处，满足

(2)永磁体磁极与气隙交界处，满足

(3)气隙与定子槽口处，满足