[发明专利]一种快速计算永磁同步电机中永磁体高频涡流损耗的方法

摘要

本发明公开了一种快速计算永磁同步电机中永磁体高频涡流损耗的方法,属于永磁电机损耗计算领域。本方法提出采用冻结增量张量磁阻率法得到永磁同步电机的交流小信号模型，然后采用线性频域有限元法研究高频谐波电压与永磁体中高频磁密变化的关系。最后利用总结的关系和永磁体涡流损耗解析计算模型以及PWM电压频谱的解析计算模型计算永磁体内高频谐波损耗，从而避免了耗时的瞬态有限元。本发明在保证计算精度的前提下，大大提高了计算效率，使得快速计算永磁体在电机全工况范围内的高频涡流损耗分布图成为了可能。

主权项

1.一种快速计算永磁同步电机中永磁体高频涡流损耗的方法，其特征在于，包括如下步骤：1)对于永磁同步电机，已知其在某个工况下所需的d、q轴基波电流为i_d0和i_q0，以d、q轴基波电流为输入进行一个电周期的瞬态有限元仿真；2)利用基波电流仿真得到的负载反电势波形计算电机工作时外界所需要输入的电压基波分量的大小和相角；3)根据正弦电压基波分量的信息，并结合逆变器直流母线电压以及所采用的调制策略，采用双积分傅里叶变换的方法计算输入到电机端口的PWM电压；4)根据步骤1)中采用基波电流进行的有限元仿真的结果，保存在转子处于不同位置时的网格磁密，然后计算每个网格中的增量张量磁阻率；5)利用每个网格的增量张量磁阻率，得到永磁同步电机的线性交流小信号模型，利用线性交流小信号模型构建高频正弦电压供电的场路线性耦合模型；6)利用构建的线性耦合模型，采用线性频域有限元法计算在不考虑永磁涡流反应时，d轴和q轴高频谐波电压分别作用时通过永磁体的平均磁密，然后计算两个无量纲参数；7)继续利用构建的线性场路耦合模型，采用线性频域有限元法计算在考虑永磁体涡流反应时，当u_dh为100V，u_qh为0计算得到穿过永磁体的平均磁密为然后利用考虑涡流反应与不考虑涡流反应时通过永磁体的平均磁密之间的比值，采用非线性拟合计算漏磁系数p，具体的拟合用函数关系式为：其中B_av^e为考虑永磁体内部涡流反应时穿过永磁体的磁密，ξ_r和ξ_i是参数ξ的实部和虚部，在二维模型和三维模型中，ξ的表达式分别为：其中μ为永磁体的磁导率，σ为永磁体的电导率，m和n均是整数，a为用磁体宽度，b为永磁体轴向长度，ω_h为输入高频谐波电压的角频率；8)利用步骤3)中的得到的高频电压频谱，和步骤6)中计算得到的无量纲参数z_d和z_q，计算每个高频电压分量所产生的在不考虑永磁体涡流反应时的磁密幅值；9)利用步骤7)中永磁体计算得到的无量纲参数p，计算在考虑永磁内涡流反应时，穿过永磁体中平均磁密的幅值，具体表达式为：其中：B_k^e为考虑永磁涡流反应时，第k次电压频率在永磁体中产生的平均磁密，ξ_r和ξ_i需要利用步骤7)中的表达时和k次电压分量的角频率分别计算得到；10)最终利用各次电压分量在考虑永磁体涡流反应时在永磁体中产生的磁密以及永磁体涡流损耗的解析表达式计算永磁体内的涡流损耗，具体的永磁体内涡流损耗计算解析表达式为：其中：P_2D为不考虑端部效应时计算的用磁体涡流损耗，P_3D为考虑端部效应时计算的永磁体涡流损耗，t为永磁体厚度，ω_k为第k次角频率，11)将各次高频谐波电压所产生的永磁体涡流损耗相加，得到逆变器供电引起的永磁体总的高频谐波涡流损耗，此时再进行一步基波电压供电下的瞬态有限元计算计算基波电压所产生的永磁体涡流损耗，将高频谐波涡流损耗与基波电压产生的永磁涡流损耗叠加得到总的永磁涡流损耗；12)若想要计算永磁同步电机在整个工作范围内，不同转矩、不同转速下的的永磁体高频涡流损耗，则需要针对6个均与分布在电机工作范围内的工作点分别重复得计算步骤1)到步骤7)计算在不同工况下的三个无量纲参数z_d，z_q，和p，然后用二次多项式，拟合这三个参数与基波电流i_d0和i_q0的关系；13)在得到步骤12)中的二次多项式之后，就计算任意工况下的三个无量纲参数，而无需再重复步骤1)到步骤7)的过程，再利用该工况下PWM电压的解析频谱，最终实现永磁体涡流损耗的快速计算。