基于傅里叶拟合的记忆电机调磁电流预测方法与流程

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种基于傅里叶拟合的记忆电机调磁电流预测方法。

背景技术：

记忆电机作为一种新型永磁同步电机，同时具有高效率和高转矩密度两大优势，易于实现全工况高效，拥有广阔的应用前景。记忆电机的发展，得益于近年来在稀土永磁材料方面的重大突破。不同于传统永磁，许多新型稀土永磁材料矫顽力较低且磁滞回线高度非线性，这使得这类永磁体的磁化状态可以通过外施电流脉冲改变。当记忆电机运行时，为电机中的非线性永磁体施加电流脉冲改变其磁化状态的过程就被称为在线调磁。从当前磁化状态到目标磁化状态所需的脉冲电流需要进行预测，磁滞回线的高度非线性使得这一预测十分困难。

脉冲电流的预测需要用到磁滞模型，常用的磁滞模型有平行四边形模型和preisach模型。平行四边形模型预测精度较差，preisach模型预测时间成本过高，都不符合工程预测要求。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种基于傅里叶拟合的记忆电机调磁电流预测方法，该方法采用工程实验数据拟合得到磁滞模型，再基于磁滞模型进行工程仿真预测，预测方法更精确。

技术方案：本发明所述的基于傅里叶拟合的记忆电机调磁电流预测方法包括：

(1)采用实验装置获取对永磁体施加不同电流i时的气隙磁密bg；

(2)根据电流i与气隙磁密bg的关系数据，采用磁通连续原理计算永磁体磁密bm，采用安培环路定理计算永磁体磁场强度hm；

(3)根据永磁体的bm及hm数据，对记忆电机永磁体的回复线和磁滞回线进行拟合，得到傅里叶拟合磁滞模型；

(4)基于所述傅里叶拟合磁滞模型，预测记忆电机永磁体从初始磁化状态bg1到目标磁化状态bg2所需的调磁所需电流i*。

进一步的，步骤(1)具体包括：

(1.1)构造为一个由硅钢、永磁体、气隙构成的闭合磁路作为实验装置；

(1.2)对所述实验装置施加不同电流i，改变永磁体工作点，并利用高斯计测取气隙磁密bg的变化，利用电流钳及示波器测取外施电流i的变化。

进一步的，步骤(2)具体包括：

(2.1)根据磁通连续原理气隙磁密bg与永磁体磁密bm的关系，采用按照下式计算永磁体磁密bm：

式中，sg表示气隙面积，sm表示永磁体面积；

(2.2)根据电流i与气隙磁密bg的关系数据，采用安培环路定理按照下式计算永磁体磁场强度hm：

式中，n是线圈匝数，lg是气隙磁化方向厚度，ll是硅钢磁化方向厚度，lm是永磁体磁化方向厚度，μg是气隙相对磁导率，μg是硅钢相对磁导率，sl表示硅钢面积。

进一步的，步骤(3)中对记忆电机永磁体的回复线进行拟合时，采用的拟合公式为：

b＝kr·h+bri，i＝1,2,3,...

式中，b为磁密，h为磁场强度，kr为回复线斜率，bri为第i条回复线在b轴上的截距。

进一步的，步骤(3)中对记忆电机永磁体的磁滞回线进行拟合时，先翻转坐标系再进行拟合，采用的拟合公式为：

式中，b为磁密，h为磁场强度，a0、ak、bk为三阶傅里叶级数展开系数。

进一步的，步骤(3)中对记忆电机永磁体的磁滞回线进行拟合时，先拟合得到左半支磁滞回线h＝f(b)，再根据左半支磁滞回线通过中心对称原理直接得到右半支磁滞回线h＝-f(-b)。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1、本发明通过基于工程实验的工程模型描述磁滞回线，可以同时满足计算量小且精确度高两个目标，预测调磁电流的时间成本较低且预测结果较为准确，更加适用于工程计算。

2、本发明在磁滞回线拟合时，通过翻转坐标系的方式巧妙地简化了描述磁滞回线的复杂性，使得磁滞回线可以用初等函数描述且三阶傅里叶级数对磁滞回线拟合的精度很高，进而提高预测精度。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的流程示意图；

图2是非线性永磁体傅里叶拟合磁滞模型图。

具体实施方式

本实施例提供了一种基于傅里叶拟合的记忆电机调磁电流预测方法，如图1所示，包括如下步骤：

(1)采用实验装置获取对永磁体施加不同电流i时的气隙磁密bg。

其中，实验装置具体为一个由硅钢、永磁体、气隙构成的闭合磁路，气隙宽度大小应适当，不宜过小，以便于放入高斯计测量气隙磁密；不宜过大，以防止过大的空气磁阻导致外施电流时气隙磁密变化不显著。针对电路，需要选取适当匝数的线圈为磁化装置提供磁动势。同时线圈应具有适当的粗细，不宜过细，以防止线圈无法承受充去磁电流；不宜过粗，以防止磁化装置内部的槽无法容纳足够的匝数。搭建测取实验数据的实验平台。控制模块由fpga(现场可编程阵列电路)控制h桥，测量模块由电流钳、示波器和高斯计组成。对所述实验装置施加不同电流i，改变永磁体工作点，并利用高斯计测取气隙磁密bg的变化，利用电流钳及示波器测取外施电流i的变化。

(2)根据电流i与气隙磁密bg的关系数据，采用磁通连续原理计算永磁体磁密bm，采用安培环路定理计算永磁体磁场强度hm。

其中，根据磁通连续原理气隙磁密bg与永磁体磁密bm的关系，采用按照下式计算永磁体磁密bm：

式中，sg表示气隙面积，sm表示永磁体面积；

以及根据电流i与气隙磁密bg的关系数据，采用安培环路定理按照下式计算永磁体磁场强度hm：

式中，n是线圈匝数，lg是气隙磁化方向厚度，ll是硅钢磁化方向厚度，lm是永磁体磁化方向厚度，μg是气隙相对磁导率，μg是硅钢相对磁导率，sl表示硅钢面积。

(3)根据永磁体的bm及hm数据，对记忆电机永磁体的回复线和磁滞回线进行拟合，得到傅里叶拟合磁滞模型。

其中，根据永磁体的bm及hm数据可以绘制出磁滞回线和回复线的散点图，如图2所示。回复线可以用直线来表达，并且所有的回复线均拥有相同的斜率。为减少误差，需至少测取三条回复线上的散点，进行拟合后，在三条回复线斜率差距不大的情况下对其斜率取平均值得到最终的回复线斜率，采用的拟合公式为：

b＝kr·h+bri，i＝1,2,3,...

式中，b为磁密，h为磁场强度，kr为回复线斜率，bri为第i条回复线在b轴上的截距。

根据图2所示p1q1，p2q2，p3q3为傅里叶拟合磁滞模型的三条回复线，其中r1，r2，r3分别为三条回复线与真空负载线的交点。当通以微小持续电流时，永磁体的工作点开始在回复线上移动，当电流撤去后，永磁体的工作点会落到回复线与真空负载线的交点处。

为了实现对磁滞回线数学上的简化，傅里叶拟合磁滞模型采用翻转坐标系的方式，将磁滞回线看作h-b关系。对于拟合函数选取有三个重要的考量：拟合精确度尽可能高、拟合函数单调性符合磁滞回线实际单调性、拟合函数的表达要尽可能简洁。经过综合考量，三阶傅里叶级数可以很好的满足这三个要求，拟合公式为：

a0、ak、bk为三阶傅里叶级数展开系数。

由于磁滞回线的中心对称性，只需要拟合半支磁滞回线即可。即先拟合得到左半支磁滞回线h＝f(b)，再根据左半支磁滞回线通过中心对称原理直接得到右半支磁滞回线h＝-f(-b)。

如图2所示a1b1c1a2为磁滞回线的左半支，a1b2c2a2是磁滞回线的右半支。当未施加电流时，永磁体的工作点位于负载线上(比如r1)；当开始施加持续电流后，永磁体的工作点从负载线与回复线的交点出发，沿回复线运动；当电流大到一定程度后，永磁体的工作点到达回复线与磁滞回线交点(如q1或p1)，开始沿磁滞回线运动。

(4)基于所述傅里叶拟合磁滞模型，预测记忆电机永磁体从初始磁化状态bg1到目标磁化状态bg2所需的调磁所需电流i*。

具体的，预测时，首先进行仿真初始化，将傅里叶拟合磁滞模型导入有限元仿真软件作为非线性永磁体磁滞模型，将初始磁化状态bg1作为仿真初始状态，确定电流方向，对比bg1与bg2大小。若bg<bg2，需要施加充磁电流脉冲。若bg1>bg2，需要施加去磁电流脉冲。在仿真中对非线性永磁体施加多个幅值依次步进递增的电流脉冲。当某次施加电流脉冲后得到的气隙磁密bs与bg2误差小于1％，则该次电流脉冲幅值为所需的调磁所需电流i*。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。