一种三相电励磁双凸极电机励磁绕组自感建模方法与流程

本发明涉及电机建模领域，尤其是一种三相电励磁双凸极电机励磁绕组自感建模方法。

背景技术：
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电励磁双凸极电机是一种基于永磁双凸极电机发展而来的新型磁阻电机，定、转子均为凸极结构，其转子上无绕组，结构简单，可靠性高，定子槽内放置励磁绕组因此其气隙磁通调节灵活，在航空、新能源等领域受到广泛关注。电励磁双凸极电机的气隙磁场存在着显著的边缘效应、高度的局部饱和现象，同时其电枢反应较为复杂，既有增磁作用又有去磁作用，这导致其电感的波形发生畸变，使得电励磁双凸极电机的建模较为困难，因此研究电励磁双凸极电机励磁绕组自感建模具有重要意义。

国内外对电励磁双凸极电机电感参数的研究较少，所采用的方法大都参考了SRM的电感参数建模方法，未同时考虑电枢反应以及励磁磁场变化对于电感参数的影响。尤其针对励磁绕组自感参数的分析，当前研究甚少。吴红星等公开的“一种开关磁阻电机全域非线性电感测试方法”(中国，公开号：101533071A)专利采样固定转子角度间隔下的相电流和该相电感参数以拟合电感曲线，该方法有效地计及了电枢反应的影响，但对于双凸极电机来说，还需要将励磁磁场变化的影响拟合入电感参数。对于电励磁双凸极电机建模的研究，张乐等发表的“基于三维非线性电感模型电励磁双凸极发电机系统建模的研究”根据电枢绕组自感和电枢绕组与励磁绕组间互感进行电励磁双凸极发电机建模，其充分考虑了电枢反应，但忽略了励磁绕组自感的变化。

上述这些方法都充分考虑了电枢反应，但在电励磁双凸极电机的建模过程中，还需将励磁磁场改变带来的励磁绕组自感的变化考虑入建模过程。本发明专利提出了一种三相电励磁双凸极电机励磁绕组自感建模方法。

技术实现要素：
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本发明的目的在于通过电励磁双凸极电机励磁绕组自感的特性研究，构建一种易于实现的电感参数建模方法，实现电励磁双凸极电机的精确建模。

本发明采用如下技术方案：一种三相电励磁双凸极电机励磁绕组自感建模方法，所述三相电励磁双凸极电机的定子与转子都是凸极结构，每三相定子齿呈平行结构，平行齿外的槽用于放置励磁绕组，平行齿间隔内的槽用于放置电枢绕组，其特征在于：包括以下几个步骤

1)电机在定子齿与转子齿对齐位置处，将该相电枢电流不为零时的励磁绕组自感值减去该相电枢电流为零时的励磁绕组自感值以获得该相电枢电流与励磁绕组自感差值的关系；

2)根据步骤1)中电枢电流与励磁绕组自感差值的关系，由三相电枢电流确定一个电周期内三个转子齿与定子齿对齐位置处的励磁绕组自感差值；

3)根据步骤2)中得到的三个转子齿与定子齿对齐位置处的励磁绕组自感差值，拟合一个电周期内的励磁绕组自感差值与转子位置角的曲线；

4)将步骤3)中得到的励磁绕组自感差值与转子位置角的曲线加上空载时的励磁绕组自感值以得到励磁绕组自感值与转子位置角的曲线；

5)通过步骤4)中得到的励磁绕组自感值与转子位置角的曲线，凭借该时刻的转子位置角即可得到励磁绕组自感值。

6)在另一种励磁电流条件下重复进行步骤1)至步骤5)。

2.如权利要求1所述的三相电励磁双凸极电机励磁绕组自感建模方法，其特征在于：励磁绕组自感值在转子齿与定子齿对齐位置处由该定子齿上的电枢电流决定；同时，三相电枢电流与励磁绕组自感差值的关系曲线相同，只需拟合一相的电枢电流与励磁绕组自感差值的关系曲线即可作为三相电枢电流与励磁绕组自感差值的关系曲线。

本发明具有如下有益效果：(1)、本发明只需拟合一相电枢电流与励磁绕组自感差值的关系，即可完成励磁绕组自感建模；(2)、充分计及电枢反应以及励磁磁场改变对于励磁绕组自感的影响；(3)、可以实现电励磁双凸极电机电动状态以及发电状态建模。

附图说明：

图1为本发明实施例12/8极结构的电励磁双凸极电机二维结构图。

图2为本发明实施例在A相定子齿与转子齿对齐时刻的有限元仿真磁链分布图。

图3(a)和3(b)为本发明提供的励磁绕组自感参数拟合的流程图。

图4为本发明提供的多种相电流条件下的励磁绕组自感差值与转子位置角的曲线。

图5为将本发明应用于电机建模后的模型仿真和有限元软件仿真在相同加载条件下的励磁绕组自感曲线对比图。

图6为不同励磁电流条件且空载条件下的励磁绕组自感值L_f0曲线。

其中：图3(b)中θ为机械角度下的转子位置角，ΔL_f为励磁绕组自感差值，L_f为励磁绕组自感值，L_f0为空载条件下励磁绕组自感值。

图4中i_a、i_b、i_c分别是A、B、C相电枢电流。

图5中实线为电机建模后模型的励磁绕组自感仿真曲线，虚线为有限元软件的仿真曲线。

图6中i_f为励磁电流。

具体实施方式：

下面结合附图对发明进行详细说明。

本发明的电机结构如图1所示，为三相电励磁双凸极电机，其定子与转子都是凸极结构，并且为了放置励磁绕组，每三相定子齿呈平行结构，平行齿外的槽用于放置励磁绕组，平行齿间隔内的槽用于放置电枢绕组。电励磁双凸极电机的结构决定其存在四种电感参数，分别是电枢绕组自感参数、电枢绕组与励磁绕组间互感参数、电枢绕组与电枢绕组间互感参数以及励磁绕组自感参数，本发明三相电励磁双凸极电机励磁绕组自感建模方法主要涉及的是励磁绕组自感参数，具体实施步骤如下：

1)电机在定子齿与转子齿对齐位置处，将该相电枢电流不为零时的励磁绕组自感值减去该相电枢电流为零时的励磁绕组自感值以获得该相电枢电流与励磁绕组自感差值的关系；

2)根据步骤1)中电枢电流与励磁绕组自感差值的关系，由三相电枢电流确定一个电周期内三个转子齿与定子齿对齐位置处的励磁绕组自感差值；

3)根据步骤2)中得到的三个转子齿与定子齿对齐位置处的励磁绕组自感差值，拟合一个电周期内的励磁绕组自感差值与转子位置角的曲线；

4)将步骤3)中得到的励磁绕组自感差值与转子位置角的曲线加上空载时的励磁绕组自感值以得到励磁绕组自感值与转子位置角的曲线；

5)通过步骤4)中得到的励磁绕组自感值与转子位置角的曲线，凭借该时刻的转子位置角即可得到励磁绕组自感值；

6)在另一种励磁电流条件下重复进行步骤1)至步骤5)。

其中励磁绕组自感值在转子齿与定子齿对齐位置处由该定子齿上的电枢电流决定；同时，三相的电枢电流与励磁绕组自感差值的关系曲线近乎相同，故只需拟合一相的电枢电流与励磁绕组自感差值的关系曲线即可作为三相的电枢电流与励磁绕组自感差值的关系曲线；并且，考虑到励磁磁场改变对于励磁绕组自感的影响，需要在多种励磁电流条件下重复进行步骤1)至步骤5)；

根据以上步骤可实现三相电励磁双凸极电机励磁绕组自感建模，可用于电励磁双凸极电动机和电励磁双凸极发电机的建模，方法具有较高精确度且易于实现，具有良好的应用前景。

下面通过一个具体的实施例来说明本发明三相电励磁双凸极电机励磁绕组自感建模方法。

假设当前转子处于与A相定子齿对齐位置，此时A相定子齿中的磁通全部经由定转子间气隙后到达转子齿，构成A相磁场，如图2磁场分布图所示。

1)通过有限元软件仿真得到不同A相电枢电流条件下A相定子齿与转子齿对齐位置处的励磁绕组自感值，电流范围为-400A至400A，每隔10A采样一组励磁绕组自感数据；

2)将得到的励磁绕组自感数据减去该相电枢电流为零时的励磁绕组自感值以获得该相电枢电流与励磁绕组自感差值ΔL_f的关系；

3)根据三相电枢电流得到一个电周期内与其对应的三个转子齿与定子齿对齐位置处的励磁绕组自感差值ΔL_f，以此拟合一个电周期内的励磁绕组自感差值与转子位置角的关系曲线ΔL_f(θ)，如图4所示，为发电状态下三种电流情况下的励磁绕组自感差值与转子位置角的关系曲线；

4)将励磁绕组自感差值与转子位置角的关系曲线ΔL_f(θ)加上空载条件下的励磁绕组自感值L_f0，得到励磁绕组自感值与转子位置角的曲线L_f(θ)；

5)凭借该时刻的转子位置角即可得到励磁绕组自感值L_f，图5所示为将本发明应用于电机建模后的模型仿真和有限元软件仿真在相同加载条件下的励磁绕组自感曲线对比图，反应了本发明的精确性；

6)在另一种励磁电流条件下重复进行步骤1)至步骤5)，图6为不同励磁电流条件及空载条件下的励磁绕组自感值L_f0曲线；

本发明所提供的励磁绕组自感建模方法利用了励磁绕组自感自身的特性，原理简单易于实现，且具有较高精确度。十分适用于要求充分计及电枢反应及励磁磁场变化的电励磁双凸极电机建模场合。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。