[發明專利]一種計及時空諧波條件的高速永磁電機永磁體損耗補償方法及系統

有效

• 申請號: 202110632441.3
• 申請日: 2021-06-07
• 公開（公告）號: CN113328674B
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發明（設計）人: 張冬冬;乙加偉;朱虹諭;郭平輝;羅濤;梁祥宇;武新章
• 申請（專利權）人: 廣西大學
• 主分類號: H02P23/14
• 分類號: H02P23/14;H02P6/34;H02P25/022
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 范巍

本發明公開的一種計及時空諧波條件的高速永磁電機永磁體損耗補償方法及系統，屬于交流電機損耗分析及計算領域。以變頻電源供電的高速永磁電機為研究對象，通過對永磁電機輸入相電流進行傅里葉分析，獲取各次諧波下電流激勵，建立二維有限元渦流損耗模型，根據數學推導獲取各次諧波激勵下補償后的永磁體渦流損耗和計及諧波條件下高速永磁電機永磁體渦流損耗的補償計算模型，通過對各次諧波下補償后的永磁體損耗疊，減小計算量，提高了永磁體損耗補償的效率。本發明提出的一種計及時空諧波條件的高速永磁電機永磁體損耗補償方法，考慮了渦流非軸向路徑的永磁體渦流算法比常規二維有限元算法的計算結果約多30％。

技術領域

本發明屬于交流電機損耗分析及計算領域，具體涉及一種計及時空諧波條件的高速永磁電機永磁體損耗補償方法及系統。

背景技術

高速永磁電機具有體積小、效率高、控制簡單、功率密度高、功率因數高、控制性能良好、發展潛力大、應用范圍廣等優點。高速永磁電機在高精密數控機床、航空航天裝備、新能源汽車、電力裝備、高性能醫療器械等五大領域都已顯示出巨大應用潛力。高速永磁電機在帶來自身優勢的同時也增大了其分析、設計的難度。高速電機的研究難點之一是高頻下的鐵耗計算問題。高速電機體積小，能耗密度高，散熱困難。由熱交換原理可知，電機溫度往往是內部轉子部分較定子部分高，而高速永磁電機的轉子永磁體最高溫度高達近100攝氏度。散熱問題得不到良好解決會導致電機壽命減少、永磁體永久退磁問題等。能耗是電機溫升的來源，永磁電機轉子無勵磁繞組，因此轉子損耗只有鐵耗，而同步電機轉子與電機基波磁場同步，因此只有諧波產生鐵耗。但由于高速電機需要變頻器提高電機轉速，變頻器中含有大量PWM高次諧波。然而在轉子結構中，為了降低渦流損耗，轉子護套通常是由電導率較低的碳纖維材料制造而成，而轉子鐵芯一般也是硅鋼片層疊而成，渦流損耗密度小。而永磁體材料是實體結構，電導率相對護套較大，給渦流創造了流通路徑，大大增加了渦流損耗。電機氣隙磁場諧波透入轉子的深度與轉子材料的電導率成反比，碳纖維的電導率較低，因此氣隙磁場諧波透入轉子的深度較高。為利于轉子散熱，護套的厚度通常不高，因此氣隙諧波磁場能夠透入接觸永磁體，導致永磁體的諧波附加渦流損耗大大增加，因此高速電機轉子渦流損耗是導致電機永磁體溫升的重要原因。

經典渦流損耗計算模型認為渦流損耗的大小與穿過硅鋼的磁通密度大小的平方、頻率的平方、硅鋼片材料特性以及硅鋼的厚度有關。然而經典渦流損耗計算模型是在假設渦流均勻分布的情況下推導的，并沒有考慮高頻下磁通集膚效應的影響。同時由于經典渦流損耗是以硅鋼片為研究目標，由于硅鋼片厚度遠遠小于其截面尺寸，因此在進行渦流計算公式推導時忽略了渦流軸向流通路徑上的電阻。但由于永磁體是整塊實心結構，其軸向厚度相對截面尺寸不能忽略，因此經典的渦流計算模型不再適用。轉子渦流損耗比較精確的計算是通過建立三維有限元電機模型，然而三維有限元仿真非常耗費計算機資源，而渦流的分布不均也需要對轉子各部位進行非常小的剖分，因此計算負擔過大。轉子渦流損耗的另一種常見計算方法是采用二維有限元計算，即在每個剖分單元內進行歐姆損耗計算然后進行疊加。然而二維有限元只能考慮渦流軸向流通路徑上的歐姆損耗而無法考慮非軸向渦流流通路徑的歐姆損耗，因此計算值偏小。因此，同時考慮高頻下渦流分布不均的影響，渦流非軸向損耗的影響，各時空諧波產生的附加渦流損耗的渦流計算模型還不存在。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種計及時空諧波條件的高速永磁電機永磁體損耗補償方法及系統，旨在解決現有技術中渦流計算模型不能同時考慮高頻下渦流分布不均，渦流非軸向損耗和各時空諧波產生的附加渦流損耗的技術問題。

為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：

本發明公開了一種計及時空諧波條件的高速永磁電機永磁體損耗補償方法，包括如下步驟，

S1、以變頻電源供電的高速永磁電機為研究對象，通過對變頻電源供電的高速永磁電機輸入相電流進行傅里葉分析，獲取各次諧波下電流激勵；