电枢磁动势谐波对永磁转子涡流损耗影响的评估方法与流程

[0001]
本发明属于永磁电机设计领域，具体涉及一种电枢磁动势谐波对永磁转子涡流损耗影响的评估方法。


背景技术：

[0002]
与传统的电励磁电机相比，永磁电机具有体积小、效率高、设计灵活多样的特点，涉及到航空航天、工农业生产以及日常生活的各个方面，在使用过程中保证其长期安全可靠运行是十分重要的。在永磁电机中，受电枢磁动势谐波影响而在转子中产生的涡流损耗，是对电机运行最大的威胁之一。目前，多数永磁电机采用变频器供电，绕组中除了基波电流外，还存在谐波电流，由此会在电机中产生丰富的电枢磁动势谐波，进而在永磁转子中产生大量涡流损耗。在众多的电枢磁动势谐波中，找到对永磁转子涡流损耗影响明显的电枢磁动势谐波，在后续电机极槽配合的选取以及控制策略的选择上具有重要的指导意义。
[0003]
目前只能采取场路耦合仿真的方式计算得出电枢磁动势谐波在永磁转子中产生的涡流损耗，该方法只能得到涡流损耗的具体数值，计算结果不具有普适性，且这一数值是所有电枢磁动势谐波对涡流损耗影响共同作用的结果，无法从中对比得到不同的电枢磁动势谐波对涡流损耗的影响程度。
[0004]
基于上述原因，提出一种评估电枢磁动势谐波对永磁转子涡流损耗影响的方法。为后续电机结构和控制策略优化，提高电机运行的安全性具有极高的工程价值和切实的工程意义。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是提供一种考虑全面、清晰直观、适用范围宽、用于评估电枢磁动势谐波对永磁转子涡流损耗影响的方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
[0006]
一种电枢磁动势谐波对永磁转子涡流损耗影响的评估方法，包括以下几个步骤：
[0007]
步骤(1)确定谐波电压的大小
[0008]
对变频器相电压进行采集，利用傅立叶变换分解得到相电压中各次谐波电压的大小。
[0009]
步骤(2)确定谐波电流的大小
[0010]
在谐波电压的大小已经确定的情况下，结合电机的电磁参数与反电动势，计算得到谐波电流：
[0011][0012]
式中，i
k
为k次谐波电流的有效值，u
k
为k次谐波电压的有效值，e
k
为k次谐波反电动势的有效值，f
k
为k次谐波电流的频率，l
a
为电枢电感，r
a
为绕组电阻。
[0013]
步骤(3)确定k次谐波电流产生的v次电枢磁动势谐波的幅值和相对于转子交变的频率
[0014]
k次谐波电流产生的v次电枢磁动势谐波幅值f
m(k,v)
为：
[0015][0016]
式中，p为电机极对数；n为一相串联匝数；k
dpv
为v次电枢磁动势谐波绕组系数，由电机极槽配合决定。
[0017]
对于k次谐波电流产生v次电枢谐波磁动势f
(k,v)
，其旋转方向有的是正转，有的是反转，旋转方向由谐波电流相序和极槽配合共同决定。
[0018]
正转的电枢磁动势谐波相对于定子的转速为：
[0019][0020]
反转的电枢磁动势谐波相对于定子的转速为：
[0021][0022]
式中，n为永磁转子相对定子的转速，负号表示旋转方向与转子旋转方向相反。
[0023]
正转的电枢磁动势谐波相对于转子的转速为：
[0024][0025]
反转的电枢磁动势谐波相对于转子的转速为：
[0026][0027]
根据电机中电枢磁动势交变频率与电枢磁动势转速之间的关系，正转的电枢磁动势谐波相对于转子交变的频率：
[0028][0029]
反转电枢磁动势谐波相对于转子交变的频率为：
[0030][0031]
式中，f1为基波电流的频率。
[0032]
步骤(4)永磁转子中的永磁体的涡流损耗正比于电枢磁动势谐波的幅值和相对于转子交变频率的平方，即：
[0033]
e
(k,v)
∝
(f
m(k,v)
·
f
(k,v)_r
)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0034]
e(k,v)为k次谐波电流产生的v次电枢磁动势谐波在转子中引起的涡流损耗。
[0035]
步骤(5)永磁电机在运行过程中，是依靠基波电流产生的基波电枢磁动势f
(1,1)
作为能量转换的中介的，且电机的工作频率为基波电流的频率f1，以f
(1,1)
的幅值f
m(1,1)
和基波电流频率f1的乘积作为基值，得到涡流损耗的标幺值，将其定义为涡流损耗强度：
[0036][0037]
本发明用于评估电枢磁动势谐波对永磁转子涡流损耗的影响，具有以下优势：
[0038]
1、综合考虑了电机极槽配合、电流时间谐波、电枢磁动势空间谐波旋转方向对转子涡流损耗的影响，考虑全面。
[0039]
2、对于不同的电枢磁动势谐波，都可以一个用解析表达式反映其对涡流损耗的影响程度，清晰直观。
[0040]
3、适用于采用不同控制策略、不同转子型式、不同极槽配合的永磁电机转子涡流损耗评估，适用范围宽。
附图说明
[0041]
图1为电机控制器、电机模型、示波器相互连接的系统示意图
[0042]
图2为示波器测得的a，b，c三相电压波形
[0043]
图中标号说明：1为电机控制器；2为示波器；3为电机模型；3-1为三相电枢电感、3-2为三相绕组电阻、3-3为三相反电动势。
[0044]
图3为电枢磁动势谐波相对与永磁转子旋转的示意图，图3(a)为正转电枢磁动势谐波与永磁转子旋转的示意图，图3(b)为反转电枢磁动势谐波与永磁转子旋转的示意图。
具体实施方式
[0045]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0046]
参见图1，本发明涉及到电机控制器1、示波器2、电机模型3；电机控制器输出pwm电压为电机模型供电，用示波器2采集得到电机控制器生成的a，b，c三相电压波形如图(2)所示，电机模型3由三相电枢电感3-1、三相绕组电阻3-2、三相反电动势3-3组成。
[0047]
本发明公开一种电枢磁动势谐波对永磁转子涡流损耗影响的评估方法，具体包括以下几个步骤：
[0048]
步骤(1)确定谐波电压的大小
[0049]
利用示波器对变频器相电压进行采集，如图2所示。利用傅立叶变换的方式，分解得到相电压中各次谐波电压e
k
的大小。
[0050]
步骤(2)确定谐波电流的大小
[0051]
在谐波电压的大小已经确定的情况下，结合电机的电磁参数与反电动势，可以计算得到谐波电流的大小，计算过程为：
[0052][0053]
式中，i
k
为k次谐波电流的有效值，u
k
为k次谐波电压的有效值，e
k
为k次谐波反电动势的有效值，f
k
为k次谐波电流的频率，l
a
为电枢电感，r
a
为绕组电阻。
[0054]
步骤(3)确定k次谐波电流产生的v次电枢磁动势谐波的幅值和相对于转子交变的频率
[0055]
根据电机的绕组磁动势理论，对于特定的绕组型式，k次谐波电流产生的v次电枢磁动势谐波幅值f
m(k,v)
为：
[0056][0057]
式中，p为电机极对数；n为一相串联匝数；k
dpv
为v次电枢磁动势谐波绕组系数，由电机极槽配合决定。
[0058]
对于k次谐波电流产生v次电枢谐波磁动势f
(k,v)
，其旋转方向有的是正转，有的是反转，旋转方向由谐波电流相序和极槽配合共同决定。
[0059]
由电机的绕组磁动势理论可知，其中正转的电枢磁动势谐波相对于定子的转速为：
[0060][0061]
反转的电枢磁动势谐波相对于定子的转速为：
[0062][0063]
式中，n为永磁转子相对定子的转速，负号表示旋转方向与转子旋转方向相反。
[0064]
由图3可知，正转的电枢磁动势谐波相对于转子的转速为：
[0065][0066]
反转的电枢磁动势谐波相对于转子的转速为：
[0067][0068]
由电机中电枢磁动势交变频率与电枢磁动势转速之间的关系可知，正转的电枢磁动势谐波相对于转子交变的频率为：
[0069][0070]
反转电枢磁动势谐波相对于转子交变的频率为：
[0071][0072]
式中，f1为基波电流的频率。
[0073]
步骤(4)将电机中定子铁心涡流损耗的计算方式推广到永磁转子中，永磁转子中的永磁体的涡流损耗正比于电枢磁动势谐波的幅值和相对于转子交变频率的平方，即：
[0074]
e
(k,v)
∝
(f
m(k,v)
·
f
(k,v)_r
)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0075]
e(k,v)为k次谐波电流产生的v次电枢磁动势谐波在转子中引起的涡流损耗。
[0076]
步骤(5)永磁电机在运行过程中，是依靠基波电流产生的基波电枢磁动势f
(1,1)
作为能量转换的中介的，且电机的工作频率为基波电流的频率f1，故以f
(1,1)
的幅值f
m(1,1)
和基波电流频率f1的乘积作为基值，得到涡流损耗的标幺值，将其定义为涡流损耗强度，则涡流损耗强度的表达式为：
[0077]
[0078]
将式(2)和式(7)代入式(10)，展开可以得到正转电枢磁动势谐波的涡流损耗强度：
[0079][0080]
将式(2)和式(8)代入式(10)，可以得到反转电枢磁动势谐波的涡流损耗强度：
[0081][0082]
本发明利用解析推导的方式，在结合控制器和电机电磁参数求解得到谐波电流大小的前提下，分析了涡流损耗e(k,v)与电枢磁动势谐波幅值和电枢磁动势谐波相对转子交变频率之间的关系，利用基波电流产生的基波磁动势的幅值和基波电流的频率作为基值，得到用于评估不同电枢磁动势谐波对转子涡流损耗影响程度的标幺化结果，由涡流损耗强度的表达式可知，只需要知道电机极槽配合、电枢磁动势谐波的转向以及各次谐波电流的大小，就可以对比不同电枢磁动势谐波对转子涡流损耗的影响程度，计算结果数值越大，说明其对转子涡流损耗的影响越明显，这可以为后续优化极槽配合和电机控制策略削弱转子涡流损耗提供依据。