一种电动机谐波分析方法与流程

本发明涉及电动机的谐波分析技术领域，更具体地说，涉及一种电动机谐波分析方法。

背景技术：

谐波磁场是影响电动机性能的重要因素，谐波磁场在电动机中产生损耗，把谐波磁场产生的损耗划归为附加损耗，IEC标准把三相异步电动机的附加损耗“规定”为电动机输入功率的0.5％，谐波磁场又是产生三相异步电动机电磁噪声的主要原因，降低三相异步电动机的电磁噪声是当前亟待解决的热点问题。以三相异步电动机为例，对称三相交流电流流入电动机对称三相交流绕组(定子绕组)时产生圆形旋转磁势，磁势产生磁场，也就是说，三相异步电动机的磁场是由三相交流绕组磁势产生的。所以，传统方法是从分析三相交流绕组磁势推及三相异步电动机的磁场，从磁势的谐波分量(包括基波磁势)推及磁场的谐波分量(包括基波磁场)，用磁势谐波分析代替磁场谐波分析，以至于把磁势谐波分析和磁场谐波分析简称为谐波分析。

但是，传统方法存在明显的缺陷：一方面，对于常规绕组，比如60度相带整数槽绕组，可以得到一个计算谐波磁势幅值的表达式，但对于非常规绕组，比如“不等匝准正弦绕组”，无法得到一个计算谐波磁势幅值的表达式；另一方面，由于没有考虑电动机铁芯材料(硅钢片)的非线性性质，即铁芯饱和的影响。铁芯材料非线性不仅影响谐波磁势幅值与谐波磁场幅值的关系，而且会改变谐波磁场分量，比如铁芯饱和会增加3次谐波磁场分量。

因此，如何获取非常规绕组的谐波磁势幅值的表达式，同时消除铁芯饱和带来的谐波磁场误差是本领域技术人员急需要解决的技术问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种电动机谐波分析方法，不仅可以对非常规绕组的磁场进行谐波分析，还能够消除铁芯材料的非线性性质带来的谐波磁场误差。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电动机谐波分析方法，包括：

获取电动机的定子磁场分布图；

在所述定子磁场分布图中的电动机气隙中画圆，得到气隙磁波密波形图；

依据所述气隙磁密波形图对定子磁场进行谐波分析，根据谐波分析结果计算定子磁场谐波极对数、谐波次数以及谐波幅值百分比。

优选的，在上述电动机谐波分析方法中，依据所述气隙磁密波形图对定子磁场进行谐波分析，得到定子磁场谐波极对数、谐波次数以及谐波幅值百分比，具体包括：

对所述定子磁场进行傅里叶变换，得到定子磁场的谐波柱状图；

根据所述定子磁场的谐波柱状图记录一对极谐波对应的横坐标x₁：其中，R为所述电动机气隙中画圆的圆的半径；

依据所述一对极谐波对应的横坐标x₁计算vp对极谐波对应的横坐标x_υp：

所述电动机气隙磁场的基波极对数为p。

优选的，在上述电动机谐波分析方法中，所述依据所述气隙磁密波形图对定子磁场进行谐波分析，还包括：

依据所述定子磁场的谐波柱状图记录基波磁场幅值B₁，υ次谐波磁场幅值B_υ谐波幅值K_υ′。

优选的，在上述电动机谐波分析方法中，所述根据谐波分析结果计算定子磁场谐波极对数、谐波次数，具体包括：

对所述vp对极谐波对应的横坐标x_υp做数学变换，得到所述定子磁场谐波极对数vp以及谐波次数v：

$\mathrm{\υ}p=\frac{x_{\mathrm{\υ}p}}{x_1},\mathrm{\υ}=\frac{\mathrm{\υ}p}{p}.$

优选的，在上述电动机谐波分析方法中，所述根据谐波分析结果计算谐波幅值百分比具体包括：

依据所述基波磁场幅值B₁，所述υ次谐波磁场幅值B_υ谐波幅值K′_υ，计算谐波幅值百分比K′_υ：

$K_{\mathrm{\υ}}^{\′}=\frac{B_{\mathrm{\υ}}}{B_1}\×100\%.$

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种电动机谐波分析方法，包括：获取电动机的定子磁场分布图；在所述定子磁场分布图中的电动机气隙中画圆，得到气隙磁波密波形图；依据所述气隙磁波密波形图对定子磁场进行谐波分析，得到定子磁场谐波极对数、谐波次数以及谐波幅值百分比。

由于传统谐波分析是采用磁势来代替磁场的谐波分析，忽略了铁芯饱和的影响，而本发明采用数值法直接对电动机的磁场分布进行谐波分析，首先对气隙磁密波形图进行谐波分析，得到定子磁场谐波极对数、谐波次数以及谐波幅值百分比，即从磁场分布的得到磁场的谐波分量，消除了铁芯饱和带来的误差，同时，本发明提供的一种电动机谐波分析方法既适用于常规绕组，也适用于非常规绕组，既适用于分析绕组磁势产生的磁场，也适用于分析永磁体产生的磁场。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种电动机谐波分析方法示意图；

图2为本发明实施例提供的电动机定子磁场磁力线分布图；

图3为本发明实施例提供的电动机定子磁场磁力线及磁场位置标志示意图；

图4为本发明实施例提供的电动机气隙磁密波形图；

图5为本发明实施例提供的p＝4，Z＝48，y1＝5，60度相带三相异步电动机定子磁场谐波柱状图(铁芯未饱和时)；

图6为本发明实施例提供的p＝4，Z＝48，y1＝5，60度相带三相异步电动机的谐波分析结果(铁芯未饱和时)；

图7为本发明实施例提供的p＝4，Z＝48，y1＝5，60度相带三相异步电动机定子磁场谐波柱状图(铁芯饱和时)；

图8为本发明实施例提供的p＝4，Z＝48，y1＝5，60度相带三相异步电动机铁芯饱和的谐波分析结果(铁芯饱和时)；

其中，p为电动机气隙磁场的基波极对数；Z为定子铁芯的槽数；y1为线圈的节距(跨距)，vp为磁场谐波极对数，v为磁势谐波次数，K_υ′磁场谐波系数，K_υ为磁势谐波系数。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种电动机谐波分析方法示意图。

在一种具体的实施方式中，提供了一种电动机谐波分析方法，包括：

步骤S1：获取电动机的定子磁场分布图；

如图2所示，图2为本发明实施例提供的电动机定子磁场磁力线分布图。

利用ANSYS Emag电磁场仿真方法获取电动机的定子磁场分布图，具体的为定子磁场的磁力线分布图，能够清晰的表现磁感线分布，便于后续界定电动机气隙。

步骤S2：在所述定子磁场分布图中的电动机气隙中画圆，得到气隙磁密波形图；

如图3所示，图3为本发明实施例提供的电动机定子磁场位置标志示意图，如图4所示，图4为本发明实施例提供的电动机气隙磁密波形图。由于电动机定子和转子之间是存在相对运动的，定子和转子之间要隔开一定的距离，它们之间的介质是空气，气隙就是指从定子到转子之间的空隙。在电动机气隙中画圆，作为定子的气隙磁场分布的位置标志，得到气隙磁密波形图。

步骤S3：依据所述气隙磁波密波形图对定子磁场进行谐波分析，得到定子磁场谐波极对数、谐波次数以及谐波幅值百分比。

图5为本发明实施例提供的p＝4，Z＝48，y1＝5，60度相带三相异步电动机定子磁场谐波柱状图(铁芯未饱和时)；图6为本发明实施例提供的p＝4，Z＝48，y1＝5，60度相带三相异步电动机的谐波分析结果(铁芯未饱和时)，其中，p为电动机气隙磁场的基波极对数，Z为定子铁芯的槽数，y1为线圈的节距(跨距)，首先分析铁芯未饱和时，定子磁场谐波柱状图以及谐波分析结果。

参阅图7和8，图7为本发明实施例提供的p＝4，Z＝48，y1＝5，，60度相带三相异步电动机定子磁场谐波柱状图(铁芯饱和时)；图8为本发明实施例提供的p＝4，Z＝48，y1＝5，60度相带三相异步电动机铁芯饱和的谐波分析结果(铁芯饱和时)。

以基波极对数为4，定子铁芯槽数位48，以及线圈的节距为5为例进行说明。首先根据铁芯未饱和时，定子磁场谐波柱状图以及谐波分析结果，对对定子磁场进行傅里叶变换，得到如图7所述的定子磁场的谐波柱状图，确定定子磁场谐波极对数、谐波次数以及谐波幅值百分比，进一步得到图8的铁芯饱和时的谐波分析结果。铁心饱和时定子磁场存在3次谐波分量和3的奇数倍数次谐波分量。

由于传统谐波分析是采用磁势来代替磁场的谐波分析，忽略了铁芯饱和的影响，而本发明采用数值法直接对电动机的磁场分布进行谐波分析，首先对气隙磁密波形图进行谐波分析，得到定子磁场谐波极对数、谐波次数以及谐波幅值百分比，即从磁场分布的得到磁场的谐波分量，消除了铁芯饱和带来的误差，同时，本发明提供的一种电动机谐波分析方法既适用于常规绕组，也适用于非常规绕组，既适用于分析绕组磁势产生的磁场，也适用于分析永磁体产生的磁场。

进一步的，在上述电动机谐波分析方法中，依据所述气隙磁密波形图对定子磁场进行谐波分析，得到定子磁场谐波极对数、谐波次数以及谐波幅值百分比，具体包括：

对所述定子磁场进行傅里叶变换，得到定子磁场的谐波柱状图；

根据所述定子磁场的谐波柱状图记录一对极谐波对应的横坐标x₁：其中，R为所述电动机气隙中画圆的圆的半径；

依据所述一对极谐波对应的横坐标x₁计算vp对极谐波对应的横坐标x_υp：

所述电动机气隙磁场的基波极对数为p。

在上述实施方式的基础上，所述依据所述气隙磁密波形图对定子磁场进行谐波分析，还包括：

依据所述定子磁场的谐波柱状图记录基波磁场幅值B₁，υ次谐波磁场幅值B_υ谐波幅值K′_υ。

其中，磁场分布经过傅里叶变换后可以得到各次谐波的次数及幅值，此时谐波次数是不明确的，首先确定谐波次数，然后得到谐波次数与幅值的对应关系。

在上述实施方式的基础上，根据谐波分析结果计算定子磁场谐波极对数、谐波次数以及谐波幅值百分比，具体包括：

对所述vp对极谐波对应的横坐标x_υp做数学变换，得到所述定子磁场谐波极对数vp以及谐波次数v：

$\mathrm{\υ}p=\frac{x_{\mathrm{\υ}p}}{x_1},\mathrm{\υ}=\frac{\mathrm{\υ}p}{p}.$

进一步的，依据所述基波磁场幅值B₁，所述υ次谐波磁场幅值B_υ谐波幅值K′_υ，计算谐波幅值百分比K′_υ：

$K_{\mathrm{\υ}}^{\′}=\frac{B_{\mathrm{\υ}}}{B_1}\×100\%.$

本发明提供一种电动机谐波分析方法，不仅可以对非常规绕组的磁场进行谐波分析，还能够消除铁芯材料的非线性性质带来的谐波磁场误差。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。