[发明专利]一种实心转子感应电机转子谐波涡流损耗的计算方法

说明书

本发明公开了一种实心转子感应电机转子谐波涡流损耗的计算方法，构建实心转子感应电机二维电磁场分析有限元模型，采用瞬态场时步有限元仿真计算方法，获取电机稳态气隙磁场时空分布，采用二维傅里叶分解定量提取电机气隙谐波磁场特性，构建边界条件模拟气隙磁场特性以激励实心转子，结合冻结磁导率法考虑实心转子在负载工况下的材料特性，实现实心转子感应电机的转子谐波涡流损耗的高精度快速分离计算；本发明可以有效提高计算精度、减小计算规模、加快计算速度。

技术领域

本发明涉及一种基于二维有限元分析计算方法，采用二维傅里叶分解定量提取电机气隙谐波磁场，利用边界条件反向构建所提取的气隙谐波磁场以激励实心转子，结合冻结磁导率法考虑实心转子在负载工况下的材料特性，实现实心转子感应电机的转子谐波涡流损耗的快速计算方法。

背景技术

感应电机较其他类型的电机具有低成低廉、结构简单、可靠性强等优势，其应用场景涵盖了各种转速和功率等级。实心转子感应电机的转子由钢及其合金材料制成，具有机械强度高、耐腐蚀性强和可靠性好的特点，能够挑战更高转速、更高的功率等级和更为恶劣的运行环境，适合频繁重载起动或者长时间工作在制动状态。

区别于传统鼠笼转子感应电机，实心转子感应电机的转子既是电机磁路的一部分，又是转子感应涡流流动的载体，这种特征导致其具有较大的转子涡流损耗以及较低的功率因数。同时，实心转子会导致较强的端部效应，使得转子感应涡流在转子两端向转轴径向涌动，缩短实心转子有效长度增加转子损耗，最终进一步恶化电机的效率指标。

因此，实心转子感应电机的转子涡流损耗的分析和计算，是对其进行有效抑制的前提，是提高实心转子感应电机效率的重中之重。一般而言，学术界主要采用解析法分析计算气隙谐波磁场特性，在实心转子表面所引起的谐波涡流损耗，并采用电流片激励模拟谐波用以激励实心转子，从而实现转子表面感应涡流损耗的分离和计算。

然而，上述方法普遍较难考虑非线性材料特性、定转子开槽引起的气隙磁导的畸变以及负载变化等因素的影响，导致电机气隙谐波磁场特性的提取和转子涡流损耗的分离和计算存在较大的误差。因此，有必要针对现有技术方法所存在的一系列问题，探索实心转子感应电机转子谐波涡流损耗高精度快速定量分离的计算方法，为降低实心转子感应电机转子涡流损耗提供理论依据。

发明内容

本发明技术解决问题：针对实心转子感应电机在分离转子谐波涡流损耗过程中难以精确考虑非线性材料特性、定转子开槽引起的气隙磁导的畸变以及负载变化等因素的影响，提供一种实心转子感应电机转子谐波涡流损耗的计算方法，具有能够考虑材料非线性和收敛速度快等优点。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的，包括如下步骤：

本发明一种实心转子感应电机转子谐波涡流损耗的计算方法，包括如下步骤：

(1)建立基于材料非线性和负载工况的实心转子感应电机二维有限元模型，主要包括定子侧模型和实心转子侧模型两个部分；

(2)对步骤(1)中基于材料非线性和负载工况的实心转子感应电机二维有限元模型进行时步有限元仿真，待基于材料非线性和负载工况的实心转子感应电机二维有限元模型计算达到稳定状态后，提取仿真模型达到稳态后的最后一个电周期内的定转子气隙中心的气隙磁密时空分布B(θ,t)，θ为转子位置角，t为时间；

(3)提取步骤(1)中基于材料非线性和负载工况的实心转子感应电机二维有限元模型最后时刻实心转子区域内各个节点的相对磁导率分布μ_r(x,y)，式中：x和y为直角坐标系下的横纵坐标；

(4)提取步骤(2)中气隙磁密B(θ,t)的谐波特性，包括：谐波阶次ν，ν次谐波幅值B_ν，ν次谐波频率f_ν；