[发明专利]用于电励磁开关磁链电机的优化设计方法及系统

说明书

本发明属于电机设计技术领域，具体涉及用于电励磁开关磁链电机的优化设计方法及系统。方法包括如下步骤：S1，建立散热模型，得出电机初始铜耗阈值；S2，建立电磁模型，以电机初始铜耗阈值为约束条件，以转矩/推力最大为目标，进行电机尺寸优化；S3，对散热模型和电磁模型进行迭代更新；S4，对线圈面积比和绕组铜耗比进行扫描计算，得到对应的最终铜耗阈值；S5，以获得的各个最终铜耗阈值为输入，重新计算获得电机的转矩/推力，并通过比较各个转矩/推力数值，得出最优电机设计的参数组合。本发明具有能够改善电励磁开关磁链电机的散热性能与推力密度/转矩密度水平，从而有效提升该类电机综合竞争力的特点。

技术领域

本发明属于电机设计技术领域，具体涉及用于电励磁开关磁链电机的优化设计方法及系统。

背景技术

开关磁链永磁电机(Flux-Switching Permanent Magnet Machines)具有转矩密度/推力密度高、转子/次级结构简单、抗退磁能力强等突出优点，已逐步成为电机行业的研究热点，并在交通运输、智能制造、工业控制等领域得到了广泛应用。该类电机的直线型式尤其适合于长行程直驱式直线运动领域，其根本原因在于永磁体与电枢绕组同设置于初级上，避免了传统表贴式永磁直线电机必须在整个行程长度的次级上安装永磁体的缺陷。

然而，随着近年来永磁稀土材料的持续上涨，在材料成本层面很大程度地限制了开关磁链永磁电机推广。采用励磁绕组替代永磁体提供磁动势，可直接解决永磁体高额价格的问题，且无需考虑永磁体性能随温度变化以及退磁问题，因此电励磁开关磁链电机(Electrically-Excited Flux-Switching Machines)又重回学术界和工业界的视野，成为了当前阶段的关注点。但是，电励磁开关磁链电机的最大缺陷在于其推力密度/转矩密度(分别对应旋转电机与直线电机)较同类永磁型小的多，在很大程度上限制了该类电机的应用推广。换而言之，在相同电机包络尺寸、相同电机温度限制的情况下，能产生的推力/转矩明显偏小。这是因为需要在励磁绕组上通以很大的电流才有可能实现与永磁体相当的磁能，而这部分的电流将会产生很大损耗，从而使得电机运行温度显著上升。

因此，通过合理可靠的电机优化设计方法，获得具有更高推力密度/转矩密度的电励磁开关磁链电机，进而有效提升该类电机综合竞争力，具有十分重要的应用价值。

发明内容

本发明为了克服现有技术中，现有的开关磁链永磁电机在相同电机包络尺寸、相同电机温度限制的情况下，能产生的推力/转矩明显偏小的问题，提供了一种计及绕组温度影响的用于电励磁开关磁链电机的优化设计方法及系统，实现温度限值条件下的推力密度/转矩密度水平明显提升，从而有效增强该类电机综合竞争力。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

用于电励磁开关磁链电机的优化设计方法，包括如下步骤：

S1，建立电机散热模型，得出电机初始铜耗阈值；

S2，建立电机电磁模型，以电机初始铜耗阈值为约束条件，以转矩/推力最大为目标，进行电机尺寸优化并获得最优参数；

S3，根据获得最优参数对电机散热模型和电机电磁模型进行迭代更新，实现电机散热模型和电机电磁模型的匹配；

S4，以步骤S3更新后的电机散热模型为对象，对励磁绕组与电枢绕组的线圈面积比和绕组铜耗比进行扫描计算，得到对应的最终铜耗阈值；

S5，以步骤S3更新后的电机电磁模型为对象，以获得的各个最终铜耗阈值为输入，重新计算获得电机的转矩/推力，并通过比较各个转矩/推力数值，得出最优电机设计的参数组合。

作为优选，步骤S1包括如下步骤：

S11，根据选定的绕组绝缘等级，确定绕组温度限值，即电机运行时励磁绕组和电枢绕组允许达到的最高温度；