本发明涉及一种准确并且快速分析永磁电机电磁性能的方法，属于永磁电机
技术领域：
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背景技术：
：永磁同步电机因其具有体积小，重量轻，效率高，功率密度高等优点而受到广泛应用。按转子结构分，可将永磁同步电机分为表贴式和内置式两类。表贴式转子结构的永磁体安装于转子铁芯的外圆表面，转速一般较低。内置式永磁电机的永磁体安置在转子铁心内部，机械结构更加可靠。在电磁性能方面，内置式永磁电机磁阻转矩有助于提高电机功率密度与过载能力，并且易于实现弱磁扩速，可以扩大电动汽车恒功率运行范围，因此广泛应用于电动汽车领域。应用于电动汽车的永磁同步电机需要具有较宽的转速范围，并且需要在大部分运行区间内具有高效率。一般在仿真中采用的分析效率的方法，是通过采用理想正弦电流源激励的模型(模型一)的仿真得出电机在各点的效率，但是其忽略了电机实际运行时，电流谐波引起的损耗增大。出于舒适度的考虑，应用于电动汽车的永磁同步电机需要具有较小的噪声。对电机噪声进行的仿真分析需要建立在准确分析电磁力的基础上，而一般采用的通过模型一的仿真不够精确。而采用矢量控制系统对有限元电机模型进行控制的模型(模型三)的方式虽然能够准确获取电磁特性，但是耗时太久。因此需要研究既能保证仿真精度，同时能减小仿真时间的方法。技术实现要素：为了克服目前在分析永磁同步电机电磁特性时，一般采用的理想正弦电流源激励的方式(模型一)分析电机性能时不够准确，而矢量控制系统对有限元电机模型进行控制的模型(模型三)分析电机性能虽然准确但是耗时太久的问题，本发明提出了一种准确并且快速分析永磁电机电磁性能的方法。本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：一种准确并且快速分析永磁电机电磁性能的方法，包括如下步骤：对同一永磁同步电机的电磁特性进行仿真分析，分别通过将电机绕组激励方式设置为理想正弦电流源激励、理想正弦电压源激励的方式，以及采用矢量控制系统对有限元电机模型进行控制和采用矢量控制系统对查找表电机模型进行控制，并采用矢量控制系统对获得四种模型下的电机电磁性能；通过与实验结果的对比，说明采用矢量控制系统的模型拥有最高的精度，采用理想电压源激励的模型能够在满足精度的前提下，加快仿真的速度，提高仿真效率。所述采用理想正弦电流源激励的模型中，电机绕组激励方式为电流源激励，根据工作点设置电流的幅值和初始角度。所述采用理想正弦电压源激励的模型中，电机绕组激励方式为电压源激励，根据工作点设置相电压的幅值；通过调整负载转矩的方式，使电机从静止状态起动并稳定至所需工作点。所述采用矢量控制系统对有限元电机模型进行控制的模型中，对采集的三相电枢绕组电流先进行clark变换再进行park变换得到电机直轴电流id和交轴电流iq；通过电流闭环控制使id和iq稳定在给定值。所述采用矢量控制系统对查找表电机模型进行控制的模型中，通过获取在不同的id和iq下的三相电感，并根据永磁同步电机数学方程建立电机查找表模型；该模型的控制结构与采用矢量控制系统对有限元电机模型进行控制的模型相同，而用该查找表电机模型代替有限元电机模型。本发明的有益效果如下：1.本发明根据实验控制系统完善仿真模型(模型三)，从而在仿真环境中准确分析电机在实际运行时的电磁特性。2.本发明采用将电机绕组激励方式设为电压源激励的方式(模型二)，在保证仿真精度的前提下，有效地缩短仿真时间。3.本发明使用实验中的控制系统分析查找表电机模型(模型四)，在保证仿真精度的前提下，有效地缩短仿真时间。附图说明图1为四个模型的对比说明图。图2是一永磁同步电机采用电流源激励(模型一)的系统结构图。图3是采用将电机绕组激励方式设为电压源激励(模型二)的系统结构图。图4是对有限元电机模型采用矢量控制系统进行控制的模型(模型三)的系统结构图。图5是对查找表电机模型采用矢量控制系统进行控制的模型(模型四)的系统结构图。图6(a)是一永磁同步电机在各个仿真模型及实验测试中，运行在2200rpm，262nm工作点时的低次电流谐波对比图，图6(b)是该工作点的高次电流谐波对比图。图7(a)是一永磁同步电机在各个仿真模型中，运行在2200rpm，262nm工作点时的低次电磁转矩谐波对比图，图7(b)是该工作点的高次电磁转矩谐波对比图。图8是一永磁同步电机在各个仿真模型中，运行在2200rpm，262nm工作点时的损耗对比图。具体实施方式下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本发明为了解决现有采用电流源激励的方法获得内置式永磁电机的电磁特性时不够准确，而采用矢量控制系统分析电机性能虽然准确但是耗时太久的问题，提出一种新的快速并准确获取电机电磁特性的方法，下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明：图1为本发明的方法说明，即采用电压源激励的模型和使用对查找表电机模型采用矢量控制的模型，获取准确的仿真结果，并加快仿真速度。图2为模型一的系统结构。在模型一中，将绕组激励方式设置为电流源激励，设置仿真工作点对应的转速、电流幅值和初始角。认为电机相电流为理想正弦电流，不含电流谐波。图3为模型二的系统结构。在模型二中，将电机绕组方式设为电压源激励，电压幅值设为模型一中工作点对应的相电压幅值。在模型中设置电机相电阻和漏感。通过调整负载转矩的方式，使电机从静止状态起动并稳定在所需的工作点(n0，t0)。n0和t0分别为所需工作点的转速和电磁转矩。使用语句if(n<n0,-t0/n0*n,-t0*n0/n)-t0/n0*(n-n0)*10设置负载转矩。即当转速低于n0时，通过减小负载转矩使电机加速；当转速高于n0时，通过增大负载转矩使电机减速；最终电机将稳定在(n0，t0)。图4为模型三的系统结构。在模型三中，根据实验中的控制系统搭建矢量控制仿真模型。ia和ib分别为定子电流，iα和iβ分别为两相静止坐标系下的电流，id和iq分别为两相旋转坐标系下的电流，和为给定的指令值，pi模块为比例积分计算器，和为计算得出的两相旋转坐标系下的电压参考值，和为计算得出的两相静止坐标系下的电压参考值，svpwm模块为空间电压脉宽调制模块，clarke变换为实现从三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换矩阵，park变换为实现从两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换矩阵，pmsmfea模型为在有限元仿真软件中搭建的电机模型，θ为电角度。其中母线电压、开关频率都与实验条件相同，在位置传感器和电流传感器的输出信号(分别为位置和电流)都加上延迟模块以模拟实验中的采样延迟情况。电机转速设置为所需工作点的转速，控制系统采用电流闭环将电流控制在所需的id和iq。图5为模型四的系统结构。在模型四中，控制系统采用和模型三中相同的结构，仅将模型三中的有限元电机模型改为查找表电机模型。该查找表电机模型的获取方法为：在有限元电机模型中，仿真得出电机在不同id和iq组合下，在各个转子位置时的磁链和电感数据。在永磁同步电机的数学模型中，将电感和磁链设为通过查找表的方式获取上述数据，以此建立永磁同步电机的查找表模型。下面结合附图对四个模型的仿真精度和仿真速度进行详细说明：图6(a)和(b)分别是一永磁同步电机在各个仿真模型及实验测试中，运行在同一工作点时的低次和高次电流谐波对比结果。因为模型一中没有电流谐波，图6中没有放入模型一的数据。在图6(a)中，模型二、模型三和模型四的结果都与实验结果接近，说明通过模型二、模型三和模型四可以有效的分析电机实际运行时的低次电流谐波。电机的低次电流谐波以5次谐波和7次谐波为主。在图6(b)中，模型三和模型四的结果都与实验结果接近，说明通过模型三和模型四可以有效的分析电机实际运行时的高次电流谐波；高次电流谐波分布在开关频率(5khz)和开关频率的倍数附近。而模型二中采用的是理想电压源，电压不是pwm形式，因此模型二中不含开关频率倍数附近的高次电流谐波。模型三与实验结果最接近，因此认为模型三是精度最高的模型，并且对于其他仿真模型精度的判断可以通过该模型和模型三仿真结果的相近程度来确定。图7(a)和(b)分别是一永磁同步电机在各个仿真模型及实验测试中，运行在同一工作点时的低次和高次电磁转矩谐波对比结果。在图7(a)中，模型二和模型三的结果接近，说明通过模型二可以有效的分析电机实际运行时的低次转矩谐波。在图7(b)中，模型四的高次电磁转矩谐波和模型三的相近，因此可以认为模型四是可信的。图8中是同一永磁同步电机在几个模型中，运行在相同工作点时的损耗对比。模型一因为忽略了电流谐波，因此直流铜损、铁损和永磁体损耗都较小；模型四只是查找表模型，不能分析磁场，因此无法通过模型四进行铁损和永磁体损耗的分析。图6、图7和图8说明，若需要准确分析永磁同步电机的电磁特性，采用电流源激励的方法(模型一)的精度是不够的，无法获得准确的电流谐波、电磁转矩谐波和损耗的结果；采用与实验控制系统相同的仿真模型(模型三)可以获得最精确的结果；模型二有相对较高的精度，可以准确分析电机的低次电流和转矩谐波，而无法获得电流与转矩中和pwm开关频率相关的信息；模型四拥有相对较高的精度，可以准确分析电机的高次电流和转矩谐波，但是对于低次谐波的分析不如模型二准确；且模型四只能分析电路参数，无法获得损耗、气隙磁密和电磁力等的信息。仿真模型模型一模型二模型三模型四仿真时间10分钟6小时1星期10分钟表1表1是一永磁同步电机在各个仿真模型中，从开始运行至稳定在2200rpm，262nm工作点时所需要的时间对比。表1中是同一永磁同步电机在几个模型中，运行至稳态所需要的时间。模型三有最高的精度，但是缺点是耗时太久。模型二能够获得精度较高的仿真结果，同时和模型三相比，有效地缩短了仿真时间，提高仿真效率。模型四的仿真时间比模型二更短，在模型二、模型三和模型四中拥有最高的仿真速度，不过这是建立在已经完成了查找表模型电机的基础上。建立查找表电机模型所需要的时间，与查找表的精度(即建立查找表时设置的id、iq的步长和范围以及转子位置的步长)有关，在本例中，建立查找表的耗时为3天。查找表的建立仅需一次，之后分析该电机在各个工作点的特性时可以直接使用查找表电机模型。基于以上结论，可以根据实际需要选择合适的模型。本方法的实施方法情形如下：(1)如果需要获得最精确的电磁仿真结果，可采用模型三；(2)为加快仿真速度，可以采用模型二，同时该模型能够获取较高精度的电机电磁特性；(3)如果不需要获得磁场和损耗数据，仅需要观察电机的电流、反电动势和电磁转矩等数据，可以采用模型四进而有效地缩短仿真时间。当前第1页12