设计磁障内永磁体长度的方法、系统、终端及存储介质与流程

1.本发明属于电机设计领域，更具体地，涉及一种设计磁障内永磁体长度的方法、系统、终端及存储介质。


背景技术：

2.近年来，电动汽车的快速发展给汽车领域带来了巨大的变革。内置式永磁同步电机由于其高效率和高功率密度的优势，已大规模应用在电动汽车或混合动力汽车上。由于内置式永磁同步电机的性能严重依赖于高性能的稀土永磁材料，而稀土资源开发受限且价格昂贵，限制了永磁同步电机的进一步推广。在此背景下，永磁辅助同步磁阻电机受到了越来越多学者的青睐。与同步磁阻电机类似，永磁辅助同步磁阻电机通过在每极转子下引入多层磁障结构来提高电机的凸极比和磁阻转矩。因此，既可以使用成本低廉且无稀土成分的铁氧体以获得良好的性价比，又可采用稀土永磁材料来获得更好的电磁性能。这种高凸极比的设计既能减小永磁体用量，又能提升电机的弱磁性能，这让永磁辅助同步磁阻电机在电动或混合动力汽车领域、低速大转矩直驱系统等方面有着良好的应用前景。
3.永磁辅助同步磁阻电机中每层磁障内永磁体尺寸是该类电机设计的关键，如何设计每一层磁障内的永磁体尺寸以最大限度降低永磁体的使用量是亟需解决的问题。由于高凸极比的设计造成了转子结构的复杂度大大增大，目前尚未形成一种较好的设计方法来优化每层磁障内永磁体的长度。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种设计磁障内永磁体长度的方法、系统、终端及存储介质，其目的在于通过建模方式简化磁障内永磁体长度的计算。
5.为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种设计磁障内永磁体长度的方法，其包括：
6.根据转子结构建立等效磁路模型，所述转子具有沿远离定子方向依次向后排布的n层磁障，n≥1，所述等效磁路模型包括：
7.第i层磁障和嵌于该磁障内的永磁体等效为并联结构且具有第i等效磁阻r
′
mi
，穿过第i层磁障和嵌于该磁障内的永磁体的磁通等效于穿过第i等效磁阻r
′
ni
的第i等效磁通φ
′
ni
；
8.第i
‑
1层磁障与每i层磁障之间的定子气隙具有第i气隙磁阻r
gi
，穿过第i气隙磁阻r
gi
的磁通为第i气隙磁通φ
gi
，前i层磁障至定子的磁路等效于前i
‑
1层的磁路与第i气隙磁阻r
gi
并联后再与第i等效磁阻r
′
mi
串联；
9.第i层永磁体剩磁磁通φ
remi
包括第i等效磁通φ
′
mi
和第1至第i气隙磁通；
10.获取第i气隙磁密b
avgi
，根据第i气隙磁密和所述等效磁路模型求解第i层的永磁体长度。
11.优选地，空载气隙磁密呈阶梯型分布，获取第i气隙磁密，包括：
12.获取呈正弦的气隙磁密基波幅值b
g1
；
13.对磁障角区间θ
bi
‑1～θ
bi
内的基波进行积分，得到第i气隙磁密
[0014][0015]
其中，磁障角θ
bi
‑1为第i
‑
1层磁障的磁障角，磁障角θ
bi
为第i层磁障的磁障角。
[0016]
优选地，当n＝1时，气隙磁密成方波分布，对第1气隙磁密b
avg1
进行傅里叶级数展开得到气隙磁密基波幅值并求得第1气隙磁密b
avg1
。
[0017]
优选地，第i层磁障还包含有第i磁桥，第i磁桥在磁桥饱和时具有通过磁桥的第i漏磁通，所述第i层永磁体剩磁磁通φ
remi
还包括第i漏磁通φ
ribi
，根据第i漏磁通φ
ribi
计算得到永磁体补偿长度
[0018][0019]
其中，b
sat
为磁桥的饱和磁密，b
rem
为永磁体剩磁磁密，t
ribi
为第i磁桥的总厚度，所述永磁体长度还包括所述永磁体补偿长度。
[0020]
优选地，第i层磁障和嵌于该磁障内的永磁体等效为并联结构，包括，
[0021]
计算第i层磁障的磁障磁阻其中，t
bi
为第i层磁障的平均厚度，w
bi
为第i层永磁体两侧的磁障总长度，μ0为真空磁导率，l
stk
为铁心叠片长度；
[0022]
计算第i层永磁体的磁阻其中，t
mi
为第i层永磁体的平均厚度，μ
r
为永磁体的相对磁导率，w
mi
为第i层永磁体的等效长度；
[0023]
计算第i气隙磁阻其中，g为气隙厚度，l
bi
为第i层磁障尾之间的定子气隙的有效长度。
[0024]
计算并联结构的第i等效磁阻
[0025]
优选地，根据所述等效磁路模型，
[0026]
第i层永磁体剩磁磁通φ
remi
＝b
rem
w
mi
l
stk
，b
rem
为永磁体剩磁磁密；
[0027]
转子在第i层磁障处的磁动势u
ri
＝φ
gi
r
gi
；
[0028]
第i等效磁通
[0029]
第i气隙磁通φ
gi
＝b
avgi
(l
bi
‑
l
bi
‑1)l
stk
。
[0030]
优选地，所述磁障的形态为“一”字型、u型、v型、圆弧型、流线型磁障中的任一种。
[0031]
按照本发明的第二个方面，提供了一种设计磁障内永磁体长度的系统，其包括：
[0032]
建模单元，用于根据转子结构建立等效磁路模型，所述转子具有沿远离定子方向依次向后排布的n层磁障，n≥1，所述等效磁路模型包括：第i层磁障和嵌于该磁障内的永磁体等效为并联结构且具有第i等效磁阻r
′
mi
，穿过第i层磁障和嵌于该磁障内的永磁体的磁
通等效于穿过第i等效磁阻r
′
mi
的第i等效磁通φ
′
mi
；第i
‑
1层磁障与每i层磁障之间的定子气隙具有第i气隙磁阻r
gi
，穿过第i气隙磁阻r
gi
的磁通为第i气隙磁通φ
gi
，第i层磁障至定子的磁路等效于第1层至第i
‑
1层的磁路与第i气隙磁阻r
gi
并联后再与第i等效磁阻r
′
mi
串联；第i层永磁体剩磁磁通φ
remi
包括第i等效磁通φ
′
mi
和第1至第i气隙磁通；
[0033]
气隙磁密获取单元，用于获取第i气隙磁密b
avgi
；
[0034]
计算单元，用于根据第i气隙磁密和所述等效磁路模型求解第i层的永磁体长度。
[0035]
按照本发明的第三个方面，提供了一种终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述方法的步骤。
[0036]
按照本发明的第四个方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述方法的步骤
[0037]
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明具备如下技术优点：
[0038]
(1)本发明根据转子结构建立磁路等效模型，所推导出的永磁体长度表达式基于气隙磁密基波幅值、转子的结构参数和永磁体的性能参数，可以快速地确定多层磁障内不同永磁体的长度，极大地提高了电机设计初期永磁体用量的评估效率。
[0039]
(2)本发明适用于不同磁障类型的电机结构，如“一”字型、u型、v型、圆弧型、流线型磁障等，通过磁障的磁阻变化来改变永磁体长度的取值。
附图说明
[0040]
图1是本技术一实施例中设计磁障内永磁体长度的方法的步骤流程图；
[0041]
图2是本技术一实施例中每极三层磁障永磁辅助同步磁阻电机截面图；
[0042]
图3是本技术一实施例中空载条件下单层磁障等效磁路图；
[0043]
图4是本技术一实施例中空载条件下三层磁障等效磁路图；
[0044]
图5是本技术一实施例中空载条件下三层磁障简化等效磁路图；
[0045]
图6是本技术一实施例中每极三层磁障永磁辅助同步磁阻电机空载气隙磁密及基波波形。
具体实施方式
[0046]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0047]
如图1所示为本技术一实施例中设计磁障内永磁体长度的方法的步骤流程图，该方法包括：
[0048]
步骤s100：根据转子结构建立等效磁路模型。
[0049]
如图2所示为转子的一局部结构示意图，转子沿远离定子方向依次向后排布的n层磁障，即沿指向转子中心的方向依次排布有第一至第n层磁障，n≥1，即至少具有一层磁障。磁障的形状可以为“一”字型、u型、v型、圆弧型、流线型等，在图2中示出的为三层u型磁障。
为了方便理解，现结合图2对转子的结构进行简单说明。每一层磁障内嵌有永磁体，永磁体或磁障端部设有磁桥，转子和定子之间设有气隙。
[0050]
根据转子结构建立等效磁路等效模型，等效磁路模型包括：
[0051]
第i层磁障和嵌于该磁障内的永磁体等效为并联结构且具有第i等效磁阻r
′
mi
，穿过第i层磁障和嵌于该磁障内的永磁体的磁通等效于穿过第i等效磁阻r
′
mi
的第i等效磁通φ
′
mi
；第i
‑
1层磁障与每i层磁障之间的定子气隙具有第i气隙磁阻r
gi
，穿过第i气隙磁阻r
gi
的磁通为第i气隙磁通φ
gi
，前i层磁障至定子的磁路等效于前i
‑
1层的磁路与第i气隙磁阻r
gi
并联后再与第i等效磁阻r
′
mi
串联；第i层永磁体剩磁磁通φ
remi
包括第i等效磁通φ
′
mi
和第1至第i气隙磁通，即
[0052][0053]
具体参照图3和图4对模型进行说明，其中，图3为具有一层磁障的等效磁路模型；图4为具有三层磁障的等效磁路模型。
[0054]
如图3所示，对于具有一层磁障的转子，n＝1，i只能取1，其磁路模型为：
[0055]
磁障和嵌于磁障内的永磁体等效为并联电阻结构，其中，磁障具有磁阻r
b
，永磁体具有磁阻r
m
，并联等效磁阻穿过磁障和嵌于该磁障内的永磁体的磁通等效于穿过效磁阻r
′
m
的等效磁通φ
′
m
，磁障之间的定子气隙具有气隙磁阻r
g
，穿过气隙磁阻r
g
的磁通为气隙磁通φ
g
，磁障至定子的磁路等效于气隙磁阻r
g
与等效磁阻r
′
m
串联，永磁体剩磁磁通φ
rem
包括等效磁通φ
′
n
和气隙磁通φ
g
。
[0056]
如图4所示，对于具有三层磁障的转子：
[0057]
第一层磁障具有磁阻r
b1
，永磁体具有磁阻r
m1
，并联等效磁阻穿过该层磁障和嵌于该磁障内的永磁体的磁通等效于穿过效磁阻r
′
m1
的等效磁通φ
′
m1
，第一层磁障之间的定子气隙具有第一气隙磁阻r
g1
，穿过第一气隙磁阻r
g1
的磁通为第一气隙磁通φ
g1
，第一层磁障至定子的磁路等效于第一气隙磁阻r
g1
与第一等效磁阻r
′
m1
串联，第一层永磁体剩磁磁通φ
rem1
包括第一等效磁通φ
′
m1
和第一气隙磁通φ
g1
。
[0058]
第二层磁障具有磁阻r
b2
，永磁体具有磁阻r
m2
，并联等效磁阻穿过该层磁障和嵌于该磁障内的永磁体的磁通等效于穿过效磁阻r
′
m2
的等效磁通φ
′
m2
，第一层磁障和第二层磁障之间的定子气隙具有第二气隙磁阻r
g2
，穿过第二气隙磁阻r
g2
的磁通为第二气隙磁通φ
g2
，前二层磁障至定子的磁路等效于第一层磁障至定子的磁路与第二气隙磁阻r
g2
并联后与第二等效磁阻r
′
m2
串联，第二层永磁体剩磁磁通φ
rem2
包括第二等效磁通φ
′
m2
、第一气隙磁通φ
g1
和第二气隙磁通φ
g2
。
[0059]
第三层磁障具有磁阻r
b3
，永磁体具有磁阻r
m3
，并联等效磁阻穿过该层磁障和嵌于该磁障内的永磁体的磁通等效于穿过效磁阻r
′
m3
的等效磁通φ
′
m3
，第一层磁障和第三层磁障之间的定子气隙具有第三气隙磁阻r
g2
，穿过第三气隙磁阻r
g3
的磁通为第三气隙磁通φ
g3
，前三层磁障至定子的磁路等效于前两层磁障至定子的磁路与第三气隙磁阻r
g3
并联后与第三等效磁阻r
′
m3
串联，第三层永磁体剩磁磁通φ
rem3
包括第三等效磁通
φ
′
m3
、第一气隙磁通φ
g1
、第二气隙磁通φ
g2
和第三气隙磁通φ
g3
。
[0060]
n＞3的情况可依次类推，得到具有n层磁障的转子的等效磁路模型。
[0061]
其中，对于上文涉及的磁障磁障、永磁体磁阻以及气隙磁阻，计算方法如下：
[0062]
第i层磁障的磁障磁阻
[0063][0064]
其中，t
bi
为第i层磁障的平均厚度，w
bi
为第i层永磁体两侧的磁障总长度。μ0为真空磁导率，l
stk
为铁心叠片轴向长度。其中，t
b
、w
b
、μ0和l
stk
均为已知参数。
[0065]
第i层永磁体的磁阻
[0066][0067]
其中，t
mi
为第i层永磁体的平均厚度，μ
r
为永磁体的相对磁导率，w
mi
为第i层永磁体的等效长度。t
m
、μ
r
为已知参数，w
m
为待求参数。
[0068]
并联结构的第i等效磁阻
[0069][0070]
第i气隙磁阻
[0071][0072]
其中，g为气隙厚度，l
bi
为第i层磁障尾之间的定子气隙的有效长度，即第i层磁障的尾部之间的气隙长度，l
bi
＝(d
r
g)*θ
bi
，其中，d
r
为转子外径，转子半径为d
r
/2，θ
bi
为第i层磁障的磁障角，如图2所示，θ
b1
为第一层磁障的磁障角，θ
b2
为第二层磁障的磁障角，θ
b3
为第三层磁障的磁障角。
[0073]
其中，对于上文涉及的永磁体剩磁磁通、气隙磁通和等效磁通，计算方法如下：
[0074]
第i层永磁体剩磁磁通
[0075]
φ
remi
＝b
rem
w
mi
l
stk
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0076]
b
rem
为永磁体剩磁磁密，其为已知参数。
[0077]
第i气隙磁通
[0078]
φ
gi
＝b
avgi
(l
bi
‑
l
bi
‑1)l
stk
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0079]
其中，获取第i气隙磁密b
avgi
可通过已知参数获得。
[0080]
对于等效磁通的计算，首先，根据磁路等效模型构建等效磁路图，如图5所示为根据图4模型构建的空载条件下的三层磁障简化等效磁路图，结合图5，建立磁通和磁动势的关系
[0081]
u
ri
＝φ
gi
r
gi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0082]
其中，u
ri
为转子在第i层磁障处的磁动势。
[0083]
第i等效磁通
[0084][0085]
步骤s200：获取第i气隙磁密b
avgi
，根据第i气隙磁密和所述等效磁路模型求解第i
层的永磁体长度。
[0086]
在一实施例中，空载气隙磁密波形呈阶梯形分布，如图6所示。因此，难以在已知气隙磁密基波幅值b
g1
的前提下，求解得到气隙磁通。从图6中可以注意到，气隙磁密的基波在每个(θ
bi
‑
θ
bi
‑1)间隔内的积分区域与阶梯波对应区间内的积分区域近似相等。为此，这里采用正弦的基波磁密波形来计算气隙磁通。那么，在每一个积分区间内的平均气隙磁密可以用如下公式计算：
[0087][0088]
联合公式(1)至(10)，即可得到每层磁障内永磁体长度的计算公式
[0089][0090]
在一实施例中，当n＝1，即转子只有一层磁障时，空载气隙磁密为方波分布，其基波分量的幅值可以用傅里叶级数展开获得，
[0091][0092]
当n＝1时，将公式(1)至(9)中的i取1，结合公式(1)至(9)以及(12)，可得到单层磁障情况下永磁体长度的计算公式
[0093][0094]
公式(13)的结果与i＝1时公式(11)的结果是一致的，即公式(13)既适用于多层磁障的情况，也适用于单层磁障的情况。
[0095]
在一实施例中，如图2所示，若磁障端部还设有磁桥，若考虑磁桥的影响，还需要有一部分永磁体所产生的磁通用来饱和磁桥，假设此部分永磁体的长度为永磁体补偿长度则
[0096][0097]
其中，b
sat
为磁桥的饱和磁密，b
rem
为永磁体剩磁磁密，t
ribi
为第i磁桥的总厚度，所述永磁体长度还包括所述永磁体补偿长度，即
[0098][0099]
为了验证所提出公式的有效性，下面以一台三层磁障永磁辅助同步磁阻电机为例进行验证说明，该电机的主要参数如表1所示。通过式(11)，计算得到的永磁体长度分别为(18.0，23.1，32.2)mm。之后对所得到的电机模型进行有限元仿真分析，计算得到的空载气隙磁密总谐波失真(thd)仅为12.3％，电机在额定负载情况下的转矩脉动为9.3％，体现出
较好的电机性能。
[0100]
表1三层磁障转子参数实例
[0101][0102]
基于此，本技术还提出一种用于实现上述设计方法的设计系统，即，一种设计磁障内永磁体长度的系统，其包括：
[0103]
建模单元，用于根据转子结构建立等效磁路模型，所述转子具有沿远离定子方向依次向后排布的n层磁障，n≥1，所述等效磁路模型包括：第i层磁障和嵌于该磁障内的永磁体等效为并联结构且具有第i等效磁阻r
′
mi
，穿过第i层磁障和嵌于该磁障内的永磁体的磁通等效于穿过第i等效磁阻r
′
mi
的第i等效磁通φ
′
mi
；第i
‑
1层磁障与每i层磁障之间的定子气隙具有第i气隙磁阻r
gi
，穿过第i气隙磁阻r
gi
的磁通为第i气隙磁通φ
gi
，第i层磁障至定子的磁路等效于第1层至第i
‑
1层的磁路与第i气隙磁阻r
gi
并联后再与第i等效磁阻r
′
mi
串联；第i层永磁体剩磁磁通φ
remi
包括第i等效磁通φ
′
mi
和第1至第i气隙磁通；
[0104]
气隙磁密获取单元，用于获取第i气隙磁密b
avgi
；
[0105]
计算单元，用于根据第i气隙磁密和所述等效磁路模型求解第i层的永磁体长度。
[0106]
本技术还涉及一种终端，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个单元，所述一个或者多个单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。
[0107]
本技术还涉及一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一方法的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
[0108]
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，本发明具备如下技术优点：
[0109]
(1)本发明所推导出的永磁体长度表达式基于气隙磁密基波幅值、转子的结构参数和永磁体的性能参数，可以快速地确定多层磁障内不同永磁体的长度，极大地提高了电机设计初期永磁体用量的评估效率
[0110]
(2)本发明适用于不同磁障类型的电机结构，如“一”字型、u型、v型、圆弧型、流线型磁障等，通过磁障的磁阻变化来改变永磁体长度的取值。
[0111]
(3)本发明通过对磁障尾角间隔内的正弦波磁密求取平均值，充分考虑了不同磁障中永磁体宽度对气隙磁场的贡献，提高了永磁体材料的利用率。
[0112]
(4)本发明所提出的方法有利于电机转矩脉动的降低。
[0113]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。