一种永磁同步电机MAP图的快速计算方法

一种永磁同步电机map图的快速计算方法
技术领域
1.本发明属于电机技术领域，具体涉及一种永磁同步电机map图的快速计算方法。


背景技术：

2.近年来，电动汽车行业发展迅速，产量激增，永磁同步电机具有高功率密度、高功率因数、宽广的高效区等优点，被广泛应用于电动汽车领域。电动汽车用永磁同步电机因其工况特殊多变，效率map图对于电动汽车用永磁同步电机的来说是考核其效率的重要指标。
3.传统的永磁同步电机效率map图计算方法需要先确定永磁同步电机的电流轨迹，将永磁同步电机运行电流轨迹上的每个工作点带入时步有限元仿真中计算永磁同步电机的效率，然后根据永磁同步电机的电流轨迹和效率绘制效率map图。通常电流轨迹的工作点的数量为几千个甚至上万个，因此获取永磁同步电机的效率map图需要大量的时间。
4.对于永磁同步电机的设计初期，需要快速获取永磁同步电机的效率map图来考核其效率性能。传统效率map图的计算方法计算时间长，无法满足工程设计需要。在永磁同步电机设计中后期，需要用穷举法优化某个或某些电机参数，以获得最佳效率map图。传统效率map图的计算方法在永磁同步电机多参数优化问题上更是难以胜任。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种永磁同步电机map图的快速计算方法，仅仅在前期需要少量计算有限元仿真，计算量小，计算速度快。
6.本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
7.一种永磁同步电机map图的快速计算方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
8.s1、建立永磁同步电机的静态场有限元仿真模型，计算不同电流、不同超前角下永磁同步电机的磁链、磁密、转矩、电流、电阻及和电感；
9.s2、利用步骤s1静态场有限元仿真的计算结果，获取永磁同步电机电机全转速范围内的电流轨迹；
10.s3、利用步骤s2获得的永磁同步电机电流轨迹计算出电流轨迹上每个工作点的铜耗、铁耗及机械损耗；
11.s4、利用步骤s2获取的电流轨迹及步骤s3计算得到的损耗生成电机全转速范围内的电机效率map图。
12.而且，所述步骤s1的具体步骤为：
13.1)定义电流的遍历范围为与遍历步长，电流遍历计算方向为电流增大方向；
14.2)定义超前角的遍历范围为与遍历步长，超前角度遍历方向为超前角增大方向；
15.3)进入遍历循环，获得不同电流、不同超前角下的永磁同步电机性能参数。
16.而且，所述步骤s2的具体步骤为：
17.1)利用步骤s1静态场有限元仿真计算获得的永磁同步电机的磁链和电流，计算得出永磁同步电机转子永磁体磁链结果；
18.2)利用永磁同步电机转子永磁体磁链结果，计算永磁同步电机不同转速、不同电流、不同超前角条件下的端电压结果；
19.3)合具体控制方法的约束条件和永磁同步电机全转速下端电压、电流及转矩信息，通过筛选获得永磁同步电机全转速范围内的电流轨迹。
20.而且，所述步骤s3的具体步骤为：
21.1)利用永磁同步电机电流轨迹上每个工作点的电流与电阻，计算永磁同步电机的铜耗；
22.2)利用永磁电机电流轨迹上每个工作点的定子齿磁密与定子轭磁密，计算永磁同步电机电流轨迹每个工作点的铁耗；
23.3)利用永磁同步电机的转速，计算永磁同步电机每个工作点的机械损耗。
24.本发明的优点和有益效果为：
25.1、本发明的永磁同步电机map图的快速计算方法，可快速计算出永磁同步电机在不同控制模式下的效率map图，相比于传统算法，本发明仅在初期需要少量的静态场有限元仿真计算，其余步骤不需要有限元计算，大大缩短了效率map图的计算时长。
26.2、本发明的永磁同步电机map图的快速计算方法，计算精度高，并且计算速度快，为高效的电机设计提供参考。
附图说明
27.图1为本发明的算法流程图；
28.图2为本发明遍历电流、超前角方法的流程图；
29.图3为本发明电流轨迹获取的流程图。
具体实施方式
30.下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
31.如图1所示，一种永磁同步电机map图的快速计算方法，其创新之处在于：该方法包括以下步骤：
32.s1、建立永磁同步电机的静态场有限元仿真模型，利用遍历法计算永磁同步电机不同电流、不同超前角下永磁同步电机的磁链、磁密、转矩、电流、电阻和电感性能。
33.具体操作为：
34.1)确定电流遍历范围与遍历步长。电流的遍历范围为(0,i
max
]。i
max
为永磁同步电机的最大电流，遍历步长设定为δi。
35.2)确定超期角的遍历范围与遍历步长。超前角的遍历范围为[0,90]，遍历步长设定为
[0036]
3)进入遍历循环：
[0037]
第一次循环，电流为i＝i+δi，超前角在[0，90]范围内遍历，计算对应电流和超前角条件下的永磁同步电机静态场有限元仿真，寻求这一次循环中，令永磁同步电机转矩最大的超前角将值赋给其中j为循环次数，用于后续步骤s2的计算；
[0038]
第二次循环，计算电流为i＝i+δi，超前角在范围内遍历，计算对应电流
和超前角条件下的永磁同步电机静态场有限元仿真，寻这一次循环中，令永磁同步电机转矩最大的超前角并将值赋给
[0039]
依照此规律循环计算一系列有限元仿真，并获取不同电流、不同超前角下的永磁同步电机的磁链、磁密、转矩、电流、电阻和电感等性能。具体流程如图2所示。
[0040]
s2、利用静态有限元的计算结果，获取永磁同步电机电机全转速范围内的电流轨迹。
[0041]
具体步骤为：
[0042]
1)计算永磁同步电机永磁体磁链。
[0043]
ψ
pm
＝ψ
d-ldid[0044]
其中：ψ
pm
为永磁同步电机永磁体的磁链；
[0045]
ψd、ld、id在步骤s1中获得，分别为永磁同步电机d轴磁链、d轴电感、d轴电流；
[0046]
2)计算不同转速、不同电流、不同超期角下的永磁同步电机的端电压。
[0047]
考虑转子偏心的转子重力和单边磁拉力计算
[0048][0049][0050][0051]
其中：us为永磁同步电机端电压；
[0052]
ω为永磁同步电机转速；
[0053]
ld、id、lq、iq分别为永磁同步电机d轴电感、d轴电流、q轴电感、q轴电流；
[0054]
r为电机电阻；
[0055]
ψ
pm
为永磁体磁链。
[0056]
3)利用控制方法的约束条件，通过循环筛选的方法，获取永磁同步电机全转速范围内的电流轨迹点。
[0057]
本发明按照恒转矩区采用mtpa控制，弱磁区采用mtpv控制，也可以采用其他的控制模式，需要修改对应的控制模式约束条件。
[0058]
mtpa的控制约束条件：对于某条特定的电流轨迹，调整永磁同步电机的转速，永磁同步电机端电压始终小于控制系统的提供的供电电压，选取令转矩取得最大值的超前角。
[0059]
mtpv的控制约束条件：对于某条特定的电流轨迹，调整永磁同步电机的转速，永磁同步电机端电压等于系统的提供的供电电压，选取令转矩取得最大值的超前角。
[0060]
依据控制算法的约束条件，循环筛选的方法为：
[0061]
3.1)确定转速的范围为[0，n
max
]，转速步长为δn；
[0062]
3.2)判断i＝δi，n＝δn，条件下，us《＝u
max
是否成立。
[0063]
其中：j为循环次数，的值在步骤s1的遍历循环过程中得到。
[0064]
判断结果为是，则执行步骤3.3，判断结果为否，则执行步骤3.4；
[0065]
3.3)记录i，n，为永磁同步电机电流轨迹上的一点。
[0066]
增大超前角为判断i，n，条件下，us《＝umax是否成立。
[0067]
判断结果为是，则执行步骤3.5。判断结构为否，则执行步骤3.4。
[0068]
3.4)记录i，n，为永磁同步电机电流轨迹上的一点。
[0069]
3.5)改变电流i＝i+δi，循环b32-b35，直至获得永磁同步电机全部电流轨迹。
[0070]
s3、利用步骤二的获得的永磁同步电机电流轨迹计算每个工作点的铜耗、铁耗、机械损耗，如图3所示。
[0071]
具体步骤为：
[0072]
1)步骤s1已经通过静态场仿真获得了电流轨迹中每个工作点的电流幅值与电阻，利用欧姆损耗公式计算永磁同步电机的铜耗。
[0073]
2)铁耗按照如下步骤计算：
[0074]
2.1)取永磁同步电机电流轨迹每个工作点上，一对极下定子轭和定子齿有限元仿真的磁密结果。
[0075]
2.2)根据永磁同步电机的周期性，将磁密随永磁同步电机位置变化的结果，等效为磁密随时间变化的结果。
[0076]
2.3)利用获取的磁密随时间变化曲线，计算永磁同步电机每个工作点上的铁耗。
[0077]
3)永磁同步电机的机械损耗与其转速成相关，包括轴承损耗、风摩损耗等。相应成果有很多，根据电机防护等级、外径、极数、冷却形式不同，机械损耗的计算公式也不同，需要计算者根据电机的实际情况选取相应的机械损耗计算公式，
[0078]
s4、利用步骤二中获取的电流轨迹以及步骤三中获取的电流轨迹上每个工作点的损耗，生成全转速范围内的电机效率map图。
[0079]
效率＝输出功率/(输出功率+损耗)。
[0080]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。