一种E型铁芯混合励磁磁通切换电机的设计方法

一种e型铁芯混合励磁磁通切换电机的设计方法
技术领域
1.本发明涉及电机设计领域，具体为一种e型铁芯混合励磁磁通切换电机的设计方法。


背景技术：

2.目前能源消耗和环境污染等问题日益严峻，随着钕铁硼(ndfeb)等高性能的永磁材料的性价比的不断提高，采用功率密度高、能量损耗小和高可靠性的永磁电机取代电励磁电机已经成为一种趋势。由于永磁材料的特性，传统结构的永磁电机存在着气隙磁场保持恒定，作电动机运行时存在恒功率区和调速范围较窄等问题，制约了其在需要宽调速邻域的应用。混合励磁磁通切换电机采用永磁体建立主磁通，通过直流励磁，调节气隙磁场强度和分布，具备体积小、效率高、输出转矩大和调速范围宽等特点，其中的e型铁芯混合励磁磁通切换电机的永磁磁通与直流励磁磁通为并列关系，不存在直流退磁的问题，有着十分广阔的应用前景。
3.然而与传统的永磁电机相比，混合励磁磁通切换电机在运行时，气隙内部同时包含有永磁磁势和直流励磁磁势，在调速的过程中，与绕组交链的磁通变化过程十分复杂，目前传统的解析磁路法和有限元分析法对于混合励磁磁通切换电机的电励磁绕组的磁场调节能力分析和励磁磁势的计算缺乏有效的设计方法，国内外对于混合励磁磁通电机的设计的一般方法也处于空白之中。
4.因此针对混合励磁磁通切换电机的特点，根据电机实际性能需求开展设计，并能兼顾电机的良好输出性能，是本领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供了一种e型铁芯混合励磁磁通切换电机的设计方法，快速便捷地根据输出性能需求确定电机初始结构尺寸，同时降低试验样机在性能输出量、动态特性和工作效率等方面不满足设计要求的可能性，达到降低电机的设计成本、缩短其设计周期的目的。
6.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案，具体包括以下步骤：
7.步骤一、确定e型铁芯混合励磁磁通电机的性能需求参数；
8.步骤二、根据电机的性能需求参数，确定电机的定转子结构参数；
9.步骤三、利用电机的定转子结构参数和性能需求参数，确定电机的电枢绕组总串联匝数；
10.步骤四、建立电机内部磁路的简化模型，确定电机的电励磁绕组的磁场调节能力；
11.步骤五、建立e型铁芯混合励磁磁通切换电机的有限元动态仿真模型；
12.步骤六、将有限元动态仿真结果与电机性能需求参数对比，若不符合要求，就对电机设计结构参数和电磁参数进行修正，重复步骤二至步骤五，直到电机有限元动态仿真结果满足电机性能需求参数。
13.进一步地，所述电机的性能需求参数包括混合励磁磁通切换电机的相数m、每相额定电压un、额定转速n、额定调速范围和额定效率η。
14.进一步地，所述步骤二确定电机的定转子结构参数和输出转矩，是根据电机内部电磁关系的推导得出的，具体包括：
15.根据电机的额定功率p2、定子单元数ps、转子齿数pr和额定效率η确定电机定子外径：
[0016][0017]
其中，d
so
为电机定子外径；ps为电机定子单元数；pr为电机转子齿数；l为电机轴轴向长度；k
sio
为电机定子内径与定子外径之比；λ为定子外径与定子轴向长度之比；b
gmax
为气隙磁密峰值；cs为定子齿极弧系数，定义为电机齿面积与定子单元面积之比；kd为电机漏磁系数，定义为与绕组匝链的有效磁通与气隙磁通之比；kf为气隙磁密分布系数；as为电枢绕组内径处线负荷。
[0018]
根据实际需求和经验选定合适的电机定子内径与定子外径之比、定子外径与定子轴向长度之比、气隙磁密幅值、气隙磁密峰值、定子齿极弧系数、电机漏磁系数、气隙磁密分布系数后，就可以计算出电机定子外径，在选取合适的气隙长度δ后，就可以确定定子内径、转子外径和电机轴向长度：
[0019][0020]
其中，d
si
为电机定子内径；δ为气隙长度；l为电机轴向长度。
[0021]
初始设计时，认为内径处定子齿宽β
st
、永磁体磁化方向厚度β
pm
、中间齿宽β
sm
、定子槽宽βs，转子齿宽β
rt
相等，即满足：
[0022][0023]
定子轭部厚度l
sy
与定子槽长度l
slot
按照1:2选取。
[0024]
进一步地，步骤三确定电机的电枢绕组总串联匝数n
ph
，是在步骤二确定电机定转子结构参数的基础上，由给定的电机额定功率和额定转速，通过以下式子得到：
[0025][0026]
进一步地，步骤四确定电机的电励磁绕组的磁场调节能力和励磁磁势，是在不考虑磁饱和,忽略边缘效应和漏磁情况下，采用“场化路”的思想，对电机磁路进行化简，建立简化的磁路模型，确定电机的电励磁绕组的调节能力。
[0027]
所述不考虑磁饱和是认为定转子铁芯的磁导率为无穷大，且不会随着磁密大小的变化而变化，永磁磁通与直流电励磁磁通符合叠加定理使用条件。
[0028]
所述忽略边缘效应和漏磁是指不考虑电机定转子齿面形状，认为定转子齿面都为
平行齿，永磁磁通与直流电励磁磁通完全经由定转子的重合面穿过气隙。
[0029]
电励磁和永磁体励磁共同作用时，合成气隙磁通通过下式给定：
[0030][0031]
其中，r
pm
为永磁体内磁阻；f
pm
为永磁体磁势；f
dc’为等效直流电励磁磁势；r
δ
为等效气隙磁阻；φ
δ
为等效气隙磁通。
[0032]
电机通入直流时，直流电励磁磁势通过下式给出：
[0033][0034]
其中，n
dc
为直流电励磁绕组匝数；if为直流电励磁电流；α为磁场调节系数，反应磁场调节能力；h
mp
为永磁体磁化方向长度；hc为永磁材料矫顽力；s
t
每极磁通面积；μ0为真空磁导率；μr为永磁材料相对磁导率。
[0035]
进一步地，步骤五是基于maxwell建立的e型铁芯混合励磁磁通切换电机计算机有限元分析模型。
[0036]
进一步地，步骤六对电机设计结构参数和电磁参数进行修正，是指在仿真结果不符合设计要求时，依据各结构参数对电机的性能的影响，修改结构参数的数值，重复步骤二至步骤五，直到电机有限元动态仿真结果满足电机性能需求参数。
[0037]
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0038]
1.可以基于e型铁芯混合励磁磁通切换电机的实际性能需求来确定电机结构参数，如定子内径、转子外径、气隙长度、电枢计算长度等；
[0039]
2.通过计算机有限元仿真的方式模拟分析所设计永磁同步电机的输出性能，分析验证设计方法确定的电机结构参数，并降低试验样机在性能输出量、动态特性和工作效率等方面不满足设计要求的可能性，从而降低永磁同步电机的设计成本、缩短其设计周期。
附图说明
[0040]
图1是本发明设计方法流程图；
[0041]
图2是e型铁芯混合励磁磁通切换电机结构图；
[0042]
图3是e型铁芯混合励磁磁通切换电机单元结构图；
[0043]
图4是空载情况下，永磁磁通与直流电励磁磁通路径示意图；
[0044]
图5是空载情况下的等效磁路图；
[0045]
图6为电机定转子齿间气隙磁导示意图；
[0046]
图7是电机等效磁路简化图。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图对本发明提出的e型铁芯磁通切换电机的设计方法进行详细说明。
[0048]
如图1所示，本发明提供的电机设计方法具体包括：
[0049]
步骤一、确定e型铁芯混合励磁磁通电机的性能需求参数；
[0050]
步骤二、根据电机的性能需求参数，确定电机的定转子结构参数；
[0051]
步骤三、利用电机的定转子结构参数和性能需求参数，确定电机的电枢绕组总串联匝数；
[0052]
步骤四、建立电机内部磁路的简化模型，依据调速范围，确定电机的直流电励磁绕组磁场调节能力；
[0053]
步骤五、建立e型铁芯混合励磁磁通切换电机的有限元动态仿真模型；
[0054]
步骤六、将有限元动态仿真结果与电机性能需求参数对比，用于对电机设计结构参数和电磁参数的修正。重复步骤二至步骤五，直到电机有限元动态仿真结果满足电机性能需求参数。
[0055]
进一步地，步骤一所述的e型铁芯混合励磁磁通切换电机的性能需求参数包括电机的相数、每相额定电压、额定功率、额定转速、额定效率和调速范围。这些性能参数可以依据电机的应用与预先设计的需求，由设计人员给定。
[0056]
进一步地，步骤二所述e型铁芯混合励磁磁通切换电机结构如图2所示，e型铁芯混合励磁磁通切换电机结构单元结构参数如图3所示，包括定子外径、定子内径、定子轴向长度、定子轭部厚度、定子槽长度气隙长度、转子外径、永磁体宽、定子齿宽、定子中间齿宽、转子齿宽、转子齿高等。其中定子外径可以通过电机额定功率与定子外径的关系公式计算得出，定子内径可以通过裂比的合理选择确定。气隙长度通过经验选取后，可计算出转子外径长度，转子齿高对于电机的性能影响不大，可以按需求合理选取。定子轴向长度通过定子外径与定子轴向长度之比λ合理取值确定。在初始设计中永磁体宽、定子边齿宽、定子中间齿宽、转子齿宽可以按照经验选取，具体方法包括：
[0057]
理想情况下，电机每相绕组电压为正弦波，可得每相绕组电压幅值为：
[0058][0059]
其中，d
so
为电机定子外径；ps为电机定子单元数；pr为电机转子齿数；l为电机轴向长度；k
sio
为电机定子内径与定子外径之比；λ为定子外径与定子轴向长度之比；b
gmax
为气隙磁密峰值；cs为定子齿极弧系数，定义为电机齿面积与定子单元面积之比；kd为电机漏磁系数，定义为与绕组匝链的有效磁通与气隙磁通之比；kf为气隙磁密分布系数；n为电机额定转速；
[0060]
所述定子单元数和转子齿数可以由下式计算得出:
[0061][0062]
其中，m为电机相数；nc为一相绕组线圈个数；k为自然数，k＝1、2、3
…
[0063]
理想情况下，电机每相绕组电压为正弦波，可得每相绕组电流幅值为：
[0064][0065]
其中，im为每相绕组电流幅值；as为定子内径处的线负荷；n
ph
为每相绕组总串联匝数。
[0066]
理想情况下，由电机的每相电压幅值和电流幅值，可得电机输入功率pe为：
[0067][0068]
由电机性能参数中的额定效率，电机的输出功率表达式可以表示为：
[0069][0070]
由电机的输出功率表达式，可以得到电机定子外径为：
[0071][0072]
根据实际需求和经验选定合适电机定子内径与定子外径之比、定子外径与定子轴向长度之比、气隙磁密幅值、气隙磁密峰值、定子齿极弧系数、电机漏磁系数、气隙磁密分布系数后，就可以计算出电机定子外径，在选取合适的气隙长度δ后，就可以确定定子内径、转子外径和电机轴向长度：
[0073][0074]
其中，d
si
为电机定子内径；δ为气隙长度；l为电机轴向长度。
[0075]
初始设计时，认为内径处定子齿宽β
st
、永磁体磁化方向厚度β
pm
、定子中间齿宽β
sm
、定子槽宽βs，转子齿宽β
rt
相等，即满足：
[0076][0077]
定子轭部厚度l
sy
与定子槽长度l
slot
按照1:2选取。
[0078]
进一步地，步骤三确定电机的电枢绕组总串联匝数，是由步骤二确定电机内径、轴向长度、每相额定电压和额定转速，在不考虑电机定子绕组压降的情况下,通过下式计算得到：
[0079][0080]
进一步地，步骤四确定电机的电励磁绕组的磁场调节能力和励磁磁势，是在不考虑磁饱和,忽略边缘效应和漏磁情况下，采用“场化路”的思想，对电机磁路进行化简，建立简化的磁路模型，确定电机的电励磁绕组的调节能力。
[0081]
所述不考虑磁饱和是认为定转子铁芯的磁导率为无穷大，且不会随着磁密大小的变化而变化，永磁磁通与直流电励磁磁通符合叠加定理使用条件。
[0082]
所述忽略边缘效应和漏磁是指不考虑电机定转子齿面形状，认为定转子齿面都为平行齿，永磁磁通与直流电励磁磁通完全经由定转子的重合面穿过气隙。
[0083]
图4为空载情况下，永磁磁通与直流电励磁磁通路径示意图，当转子位于如图4所示的位置时，永磁磁通与直流电励磁磁通方向相同，为增磁作用。忽略边缘效应和漏磁，可以得到如图5所示的空载情况下的等效磁路图。其中r
pm
为永磁体内磁阻，rs、r
s’、r
s”为定子
齿磁阻，rr、r
r’、r
r”为转子齿磁阻，rg、r
g’、r
g”为定转子齿间气隙磁阻,φ
δ
为永磁体和电励磁绕组共同产生的气隙合成主磁通,f
pm
为永磁体磁势，f
dc
为直流电励磁磁势。
[0084]
图6为电机定转子齿间气隙磁导示意图，当转子齿位于d轴时，可以确定气隙磁阻：
[0085][0086]
其中，λg、λ
g’、λ
g”为气隙磁导；μ0为真空磁导率。
[0087]
不考虑磁路饱和的情况下，可以认为铁芯的磁导率为无限大，即忽略定转子的齿磁阻，可以进一步将磁路简化为如图7所示的电机等效磁路简化图。其中f
dc’为等效直流电励磁磁势；r
δ
为等效气隙磁阻。电机气隙合成磁通为：
[0088][0089]
等效气隙磁阻可以通过下式计算得出：
[0090]rδ
＝rg r"g[0091]
永磁体磁势可以通过下式计算得出：
[0092]fpm
＝hch
mp
[0093]
其中，hc为永磁材料矫顽力；h
mp
为永磁体磁化方向长度。
[0094]
气隙磁阻可以由下式计算得到：
[0095][0096]
等效直流电励磁磁势与实际直流电励磁磁势具有如下关系：
[0097]fdc
＝k
fdcf′
dc
[0098]
其中，k
fdc
为电励磁磁势修正系数，与永磁和电励磁磁势所经过的气隙磁阻有关，计算方法如下：
[0099][0100]
由安培环路定理，直流电励磁绕组匝数n
dc
与直流电励磁电流if的乘积就是直流电励磁磁势，故直流电励磁磁势的计算方法如下所示：
[0101][0102]
其中，μr为永磁材料相对磁导率；s
t
每极磁通面积；α为磁场调节系数，反应磁场调节能力。当带额定负载，采取恒功率调速方式时，需要将电机转速调节到n1时，有如下计算方法：
[0103][0104]
进一步地，步骤五是基于maxwell建立的e型铁芯混合励磁磁通切换电机计算机有限元分析模型。
[0105]
进一步地，步骤六对电机设计结构参数和电磁参数进行修正，是指在仿真结果不符合设计要求时，依据各结构参数对电机的性能的影响，修改结构参数的数值，重复步骤二至步骤五，直到电机有限元动态仿真结果满足电机性能需求参数。
[0106]
通过上述本发明所提供的方法，不仅可以基于e型铁芯混合励磁磁通切换电机的实际性能需求确定电机结构参数，如定子内径、转子外径、气隙长度、电枢计算长度等，还可以通过计算机有限元仿真的方式模拟分析所设计永磁同步电机的输出性能，分析验证设计方法确定的电机结构参数，并降低试验样机在性能输出量、动态特性和工作效率等方面不满足设计要求的可能性，从而降低永磁同步电机的设计成本、缩短其设计周期。
[0107]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为说明本发明的具体实施方式而已，不能以此限制本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本发明技术方案基础上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。