解析算法对永磁电机护套磁导率优化设计的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种解析算法对永磁电机护套磁导率进行优化设计方法，该护套磁导率优化设计解析算法包括：永磁电机等效模型的建立，永磁电机等效磁路的建立，待定系数-迭代收敛确定永磁电机的漏磁系数，感应电动势的计算。通过采用解析法并设置相应的变量，可以快速对不用尺寸的电机进行分析，计算分析过程具有一定的通用性，为电磁场的分析提供了方便。在本设计方法中，设置磁性护套的磁导率为变量，可以快速分析出护套磁导率对电机气隙磁场及电机感应电动势的影响，进一步对护套磁导率进行优化设计。
【专利说明】解析算法对永磁电机护套磁导率优化设计
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种弱解析算法对永磁电机护套磁导率优化设计。
技术背景
[0002]与电励磁电机相比，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，因而应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。而表面贴磁式转子结构永磁电机以其结构简单、制造成本较低、转动惯量小等优点，在永磁同步电机中得到了广泛应用；此外表面贴磁式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，使之能使电机气隙磁密波形趋近于正弦波的磁极形状，可显著提高电机的性能。
[0003]在表面贴磁式转子结构永磁电机中,永磁体的表面一般米用碳纤维或者合金材料的护套以固定和保护永磁体，尤其是在高速永磁电机中，巨大的离心力一般需要足够厚度的护套已满足其机械性能。高速电机一般选用的稀土永磁体，其能承受的拉应力远小于压应力，因此高速永磁电机的护套要为永磁体提供一定的预压应力，使得高速永磁电机在高速运行时不至于永磁体承受的拉应力大于其承受范围。采用合金护套能够对高频磁场起到一定的屏蔽作用，并能减小永磁体和转子轭中的高频附加损耗，同时导热性能较好，有利于永磁体的散热，因此合金护套在应用方面更有优势。
[0004]然而在高速永磁电机中，护套厚度一般较大，是气隙长度的数倍以上，造成了电机磁路中的磁阻主要集中在护套位置，因此使得永磁体励磁效果明显降低，而采用铁磁性护套将会使得永磁体磁通经过护套而闭合，所以在高速永磁电机设计中，护套的厚度及其电磁特性的选择具有重要的意义。而采用合金材料，通过对磁导率的合理设计，一方面可以通过增加护套磁导率减小护套磁阻，增加永磁体的励磁效果，另一方面要兼顾永磁体励磁在护套内产生的极间漏磁。
【发明内容】
[0005]本发明专利的目的在于提供一种解析算法对永磁电机护套磁导率优化设计，该电机转子护套具有一定的导磁能力，通过对护套磁导率的优化设计，也可以有效降低电机主磁路的磁阻，提高永磁体的工作点及永磁材料的利用率。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]图1是本发明的表面贴磁永磁电机通用解析计算模型。
[0007]图2是本发明永磁体等效磁路。
[0008]图3是本发明空载漏磁系数与永磁磁通密度的计算关系。
[0009]图4是本发明待定系数-迭代收敛计算流程图。
[0010]图5是本发明护套磁导率与电机的工作主磁通关系图。
[0011]图6是护套磁导率分析软件的计算机界面图。【具体实施方式】
[0012]下面结合附图详细说明本发明专利的具体实施步骤:
[0013]步骤一建立永磁电机等效模型
[0014]如图1所示，建立金属护套表面贴磁永磁同步电机的一般通用解析计算模型(永磁电机等效模型)，该模型将电机划分为四个区域，分别是永磁体励磁区域、转子护套、气隙和定子铁心区域。当定子铁心外半径、气隙外半径、护套外半径、永磁体外半径和永磁体内半径分别为Rs，Ra, Rr, Rp和Rz时，永磁体磁导率、护套磁导率、气隙磁导率和定子铁心磁导率分别为μ ρ，μ r，μ ο和μ s。
[0015]步骤二建立永磁电机等效磁路
[0016]解析过程的推导是基于麦克斯韦方程对所述的模型进行计算，在感应电动势计算过程中，永磁体是励磁源，同时也是解析推导过程中重要的励磁边界条件；然而，由于该材料自身的特点，永磁体的励磁效果即 永磁体的工作点将随着电机主磁导和漏磁导的改变而变化，在本发明专利中采用永磁体等效磁路法对永磁体的励磁磁通进行分析；如图2所示，在永磁体等效磁路中，永磁体被等效成一个恒磁通源和永磁体内磁导的并联。
[0017]步骤三待定系数-迭代收敛确定永磁电机的漏磁系数
[0018]在所述的恒磁通源和永磁体内磁导并联的永磁体等效磁路中，主磁导和漏磁导均会随着护套磁导率的改变而不同。为了得到电机的主磁通以计算电机的空载感应电动势，就必须求出永磁体等效磁路各部分的磁导。永磁体内磁导Aci可以通过公式(I)进行计算，而电机的主磁导在忽略铁心磁导的假设下，仅有气隙磁导、护套磁导和永磁体磁导构成，也容易求解。但是电机的漏磁导(二维电磁场中仅考虑电机的极间漏磁)将是一个复杂的计算过程，而且随着护套磁导率的改变，永磁体的极间漏磁更是难以确定。
【权利要求】
1.一种解析算法对永磁电机护套磁导率进行优化设计方法，是对一般永磁表面贴磁结构的永磁伺服电机、高速永磁电动机、永磁发电机进行护套材料的优化设计，其步骤为: 步骤一、建立永磁电机等效模型； 步骤二、建立永磁电机等效磁路，基于麦克斯韦方程对所述的模型进行计算； 步骤三、待定系数-迭代收敛确定永磁电机的漏磁系数； 步骤四、计算感应电动势； 通过以上步骤的计算分析，可以快速对不同尺寸相同结构的永磁电机进行气隙磁场及感应电动势的计算，给出护套磁导率对电机气隙磁场及感应电动势的影响，进一步对护套磁导率进行优化设计。
2.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于:步骤一中所建立的永磁电机等效模型，是将电机划分为四个区域，分别是永磁体励磁区域、转子护套、气隙和定子铁心区域。
3.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于:步骤二对所述的模型进行的计算中，在感应电动势计算过程中，永磁体是励磁源，同时也是解析推导过程中重要的励磁边界条件，采用永磁体等效磁路法对永磁体的励磁磁通进行分析；在永磁体等效磁路中，永磁体被等效成一个恒磁通源和永磁体内磁导的并联。
4.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于:步骤三的待定系数-迭代收敛确定永磁电机的漏磁系数，是通过初始假设一个电机的空载漏磁系数，可以求出假设前提下的电机漏磁导，根据永磁体等效磁路即可确定永磁体提供的磁通，通过永磁体提供的磁通可以求出永磁体表面的磁密大小，也就为电机内电磁场的解析计算提供了永磁体励磁的边界条件；通过进一步电磁场的解析计算，可以求出进入到电机定子铁心的有效磁通；根据空载漏磁系数公式，可以求出在该假设条件下，利用麦克斯韦方程组求出的电机空载漏磁系数；若该漏磁系数与假设漏磁系数一致，则证明该漏磁系数为电机实际的空载极间漏磁系数，若不一致，则重新假设进行计算。
5.根据权利要求1所述的优化设计方法，其特征在于:步骤四的感应电动势的计算，是通过上述方法求解出电机各部分矢量磁位的分布，求出电机气隙内的磁场表达式，进一步得出电机的感应电动势，通过气隙磁场和感应电动势对电机护套磁导率进行优化设计。
【文档编号】G06F17/50GK103823926SQ201410046941
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月10日 优先权日:2014年2月10日
【发明者】李伟力, 邱洪波, 李栋, 张晓晨, 开志宏, 李佳友, 王聪 申请人:江苏利得尔电机有限公司