[发明专利]一种基于有限元分析的直线永磁电机涡流损耗计算方法

说明书

本发明公开了一种基于有限元分析的直线永磁电机涡流损耗计算方法，在振荡期间涡流损耗很大且集中在永磁体PM，由于动子速度随时间变化，因此引入1/4周期内的等分模型计算平均PM涡流损耗；根据终端效应确定永磁电机涡流损耗计算区域；通过将PM块进行分层处理，得到轴向磁通密度分量下PM块中的涡流回路和径向磁通密度分量下PM块中的涡流回路，分别计算PM径向涡流损耗和轴向涡流损耗，相加得到PM的涡流损耗，直线电机一个端部所有PM的涡流损耗之和就是1/4周期内的直线电机涡流损耗；本发明提出的涡流损耗计算方法适用于管状振荡无槽无铁芯直线永磁电机，为评估高速和高功率密度直线电机中的涡流损耗提供了有效的方法。

技术领域

本发明涉及直线电机损耗计算分析领域，更具体地说，涉及一种基于有限元分析的直线永磁电机涡流损耗计算方法。

背景技术

在过去的几十年中，直线永磁(PM)同步电机(LPMSM)已广泛应用于工业和其他领域，长期以来，LPMSM的涡流损耗因其数量相对较小以及动定子之间的开放结构散热性能良好而被忽略。然而，在一些特殊的振荡应用中，特别是高速运行的应用，应该充分考虑涡流损耗。

在振荡LPMSM中，因为磁路在线圈末端不对称，所以PM末端磁场会急剧波动。此外，随着速度的增加，PM涡流损耗受到的影响将变得很大。振荡LPMSM的涡流损耗计算是必要且有意义的。多年来，旋转电机中PM的涡流损耗计算一直是一个热门的研究课题，但直线电机这方面获得关注很少。目前，已存在对两相管式永磁电机在不同速度下PM和铁棒涡流损耗的实验测量方法，但没有提供准确的计算方法。最近，时间步进有限元分析(TS-FEA)在许多热设计中非常流行，但由于对计算资源的要求过高，其应用仍然受到限制。此外，TS-FEA只能处理恒速模型，并且很难应用于诸如振荡LPMSM的变速模型。

管状振荡无槽无铁芯LPMSM的散热面积小于扁平型直线电机，因为管状振荡LPMSM有封闭的线圈和铁壳。本发明考虑到管状振荡无槽无铁芯LPMSM磁场分布更加简单和典型，便于涡流损耗的分析，故采用它作为研究案例。本发明旨在介绍一种用于振荡LPMSM基于计算高效FEA即CE-FEA的涡流损耗计算方法。考虑到振荡运动的对称性，PM涡流损耗的计算只需考虑周期的1/4(正冲程过程)，正冲程过程根据振荡冲程(18mm)分为18个相等的部分，在线圈经过任何Δxi(1mm)的期间，以线圈进入和离开的平均速度vi计算PM涡流损耗，本发明为评估高速和高功率密度直线电机中的涡流损耗提供了有效的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种计算高效的、基于有限元分析的直线永磁电机涡流损耗计算方法。

本发明提供了一种基于有限元分析的直线永磁电机涡流损耗计算方法，包括以下步骤：

步骤1：根据终端效应确定直线永磁电机涡流损耗的计算区域；

步骤2：将计算区域中PM块的涡流损耗分为径向涡流损耗和轴向涡流损耗两部分计算，且将每个PM块进行分层处理；

步骤3：根据步骤2的分层结果，通过有限元分析计算第k个PM块中的磁通密度曲线，通过分析该曲线磁通密度的变化率，进而计算第k个PM块径向磁通密度分量Br引起的涡流损耗和轴向磁通密度分量Bx引起的涡流损耗；

步骤4：将通过步骤3计算得到的径向涡流损耗和轴向涡流损耗相加即是第k个PM块的涡流损耗。

步骤5：依据振荡运动的对称性，按上述第k个PM块涡流损耗的计算方法计算LPMSM一个端部其余PM块的涡流损耗，将这一端所有PM块涡流损耗相加就是1/4振荡周期中LPMSM的涡流损耗。

进一步地，所述步骤1中，涡流损耗计算区域确定的方法为：LPMSM涡流损耗计算区域为两个端部的PM块，且LPMSM两个端部涡流损耗是相同的。