一种双定子单转子轴向永磁电机磁路建模方法

本发明属于电机优化设计领域，具体涉及一种双定子单转子轴向永磁电机磁路建模方法。

背景技术：

1、永磁同步电机在过去几十年中得到了极大地发展。径向磁通永磁电机的种类很多，并已广泛应用于各个领域。但是，在某些情况下径向磁通永磁电机由于其轴向长度过长而不能使用。例如，风力涡轮机、飞轮储能、汽车应用以及其他具有轴向空间限制的应用。轴向永磁电机的磁通方向是沿轴向的，不仅磁能密度大，而且能量交换的空间也大，因此轴向永磁电机相比于径向永磁电机的转矩密度有所提高。

2、计算轴向永磁电机性能最准确的方法是三维有限元分析，三维有限元法基于电机的精确几何模型，可以计算复杂结构的空间磁场，但它需要太多计算时间。通过将轴向电机扩展为二维直线电机模型可以大量减少计算时间，然而该方法通常忽略了定子绕组端部位置漏磁的影响，并且随着负载增加，与三维有限元分析的平均电磁转矩误差也会增加。

3、磁路法可以为某种类型的电机设计特殊的参数磁路，并且可以在电机设计的早期阶段快速预测其性能。此外，电机的初步优化设计可以由磁路法实现。现有的针对双定子单转子轴向永磁电机的磁路法一般不考虑定子绕组端部位置的漏磁，且没有对电机负载变化时的性能预测，有一定的不足之处。因此，针对双定子单转子轴向永磁电机的磁路法建模仍然具有较高的研究价值。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种双定子单转子轴向永磁电机磁路建模方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种双定子单转子轴向永磁电机磁路建模方法，包括以下步骤：

4、定义电机部件的几何参数和材料参数；

5、划分电机部件的节点，根据部件的几何参数以及材料参数，将各部件的磁阻和磁动势进行表示，以构建磁网络模型；

6、基于磁网络模型，在考虑定子槽内漏磁、相邻永磁体经过长极靴的漏磁以及定子绕组端部位置的漏磁；定义电机各单元间的连接方式；根据不同时刻对应不同的转子位置，得到不同转子位置下的完整磁路模型；

7、基于完整磁路模型，对定子铁心的磁导率进行非线性迭代计算，得到磁路的最终收敛结果。

8、进一步地，所述电机部件的几何参数包括：定子、转子和绕组的几何结构参数、几何位置、以及气隙；

9、所述电机部件的材料参数包括：定子和转子材料电磁特性，电磁特性包括磁导率和充磁强度。

10、进一步地，所述电机部件的节点划分包括划分定子、转子以及气隙的节点。

11、进一步地，所述磁阻划分为矩形柱状磁阻、矩形与半圆形组合的柱状磁阻以及环形柱状磁阻；

12、其中，对于矩形柱状磁阻，在其磁通方向上的磁阻r1可表示为，

13、

14、其中，l表示电机某单元在该磁通方向上的磁路长度，μ0为真空磁导率，μr为某电机部件相对磁导率，s表示该磁通路径所经过的面积；

15、对于矩形与半圆形组合的柱状磁阻，在其磁通方向上的磁阻r2可表示为，

16、

17、其中，rh表示半圆的半径，ldepth表示直线电机的厚度；x表示圆弧半径的积分变量；

18、ldepth可以表示为：

19、ldepth＝ro-ri  (3)

20、其中ri，ro分别是轴向电机的内、外径；

21、对于环形柱状磁阻，在其磁通方向上的磁阻r3可表示为，

22、

23、其中，rm，rn分别为圆环的内、外径，θ表示环形所扫过的弧度。

24、进一步地，三相电枢磁动势的轴向磁动势fabc可以表示为：

25、

26、其中，nc表示线圈匝数，ia、ib、ic分别表示三相电流的瞬时值；

27、永磁磁动势的其轴向磁动势fpm可以表示为：

28、fpm＝hchpm  (6)

29、其中，hc表示永磁体磁化强度，hpm表示永磁体轴向长度。

30、进一步地，所述定子铁心磁导率的非线性迭代计算步骤包括：

31、s41，初始化等效磁路的参数，给出初始磁导率，计算定子铁心的初始磁阻；需要注意的是；

32、s42，进行磁路计算，以获得每个位置的磁通量φ；

33、s43，导出到工作区计算每个位置的磁通密度b，并通过常用材料的b-h曲线，获得新的磁导率；

34、s44，计算当前的磁导率与上次一迭代的磁导率的相对误差，如果相对误差大于给定误差δ，则更新磁导率并继续迭代，直到相对误差小于δ，即计算结果收敛，此时记录当前磁通和磁通密度，电机此网络迭代模型计算完毕。

35、进一步地，所述磁导率的迭代表达式为：

36、μk＝p1μk+p2μk-1  (7)

37、式中，μk和μk-1分别是当前磁导率和上一次迭代的磁导率，p2和p1是当前磁导率系数和上一次迭代后的磁导率系数，p1+p2＝1。

38、进一步地，相对误差收敛判断表达式为：

39、

40、一种双定子单转子轴向永磁电机磁路建模系统，包括

41、参数定义模块：定义电机部件的几何参数和材料参数；

42、磁网络模型构建模块：划分电机部件的节点，根据部件的几何参数以及材料参数，将各部件的磁阻和磁动势进行表示，以构建磁网络模型；

43、磁路模型构建模块：基于磁网络模型，考虑定子槽内漏磁、相邻永磁体经过长极靴的漏磁以及定子绕组端部位置的漏磁；定义电机各单元间的连接方式；根据不同时刻对应不同的转子位置，得到不同转子位置下的完整磁路模型；

44、以及，迭代计算模块：基于完整磁路模型，对定子铁心的磁导率进行非线性迭代计算，得到磁路的最终收敛结果。

45、一种计算机存储介质，存储有可读程序，当程序运行时，能够执上述的建模方法。

46、本发明的有益效果：

47、1、用本发明提供的双定子单转子轴向永磁电机磁路建模方法，可以高效地建立该类型电机的磁网络模型；

48、2、使用本发明提供的双定子单转子轴向永磁电机磁路建模方法，在电机设计初期可以建立该类型电机的磁网络模型，以快速得到电机的主要性能，具有直观、易于实现的特点；

49、3、使用本发明提供的双定子单转子轴向永磁电机磁路建模方法，其建立的电机磁网络模型考虑到了定子绕组端部位置的漏磁路，可以得到电机在不同负载情况下的平均电磁转矩，并且相比与直线电机等效的二维有限元模型更准确。

技术特征：

1.一种双定子单转子轴向永磁电机磁路建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种双定子单转子轴向永磁电机磁路建模方法，其特征在于，所述电机部件的几何参数包括：定子、转子和绕组的几何结构参数、几何位置、以及气隙；

3.根据权利要求1所述的一种双定子单转子轴向永磁电机磁路建模方法，其特征在于，所述电机部件的节点划分包括划分定子、转子以及气隙的节点。

4.根据权利要求1所述的一种双定子单转子轴向永磁电机磁路建模方法，其特征在于，所述磁阻划分为矩形柱状磁阻、矩形与半圆形组合的柱状磁阻以及环形柱状磁阻；

5.根据权利要求1所述的一种双定子单转子轴向永磁电机磁路建模方法，其特征在于，三相电枢磁动势的轴向磁动势fabc可以表示为：

6.根据权利要求1所述的一种双定子单转子轴向永磁电机磁路建模方法，其特征在于，所述定子铁心磁导率的非线性迭代计算步骤包括：

7.根据权利要求6所述的一种双定子单转子轴向永磁电机磁路建模方法，其特征在于，所述磁导率的迭代表达式为：

8.根据权利要求7所述的一种双定子单转子轴向永磁电机磁路建模方法，其特征在于，相对误差收敛判断表达式为：

9.一种双定子单转子轴向永磁电机磁路建模系统，其特征在于，包括

10.一种计算机存储介质，存储有可读程序，其特征在于，当程序运行时，能够执行权利要求1-8任一项所述的建模方法。

技术总结
本发明公开一种双定子单转子轴向永磁电机磁路建模方法，属于电机优化设计领域；一种双定子单转子轴向永磁电机磁路建模方法包括：定义电机部件的几何参数和材料参数；划分电机部件的节点，根据部件的几何参数以及材料参数，将各部件的磁阻和磁动势进行表示，以构建磁网络模型；基于一般的磁网络模型，考虑定子槽内漏磁、相邻永磁体经过长极靴的漏磁以及定子绕组端部位置的漏磁；定义电机各单元间的连接方式；根据不同时刻对应不同的转子位置，得到不同转子位置下的完整磁路模型；基于完整磁路模型，对定子铁心的磁导率进行非线性迭代计算，得到磁路的最终收敛结果。

技术研发人员：吴中泽,陈纪轩,花为
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15