内置式永磁电机由于具有高功率密度、宽速度范围和高磁阻转矩等优点，被广泛用于工业场合与智能家居。但由于该类电机转子结构复杂多变，基于有限元的电机设计耗时较长，不利于该类电机的初始设计。 沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心团队提出一种将子域法及等效磁路法相结合的新型通用解析模型，可在计及磁桥饱和的情况下，计算具有任意极槽配合的V型/U型/一字型内置式永磁电机的空载电磁性能，与有限元法相比，所提模型具有建模速度快、耗时短、同时可达到近似精度的优点，为相关电机的初始设计及优化带来了方便。
电机精确的磁场计算是预测其电磁性能和判断设计合理性的前提。有限元法可精确预测出电机的磁场分布，但由于内置式电机转子结构复杂多变，加上计算时需要高精度的网格，这导致有限元法不利于内置电机的初始设计及参数化分析。解析法作为一种可快速准确计算电机磁场分布的有效工具得到了国内外专家学者广泛的研究。答：现有方法主要包括基于拉普拉斯-泊松方程的子域法、基于磁通管理论的等效磁路法以及基于绕组函数理论的解析方法。答：（1）子域法具有建模简单，计算时间短等优点。但该方法计算时忽略铁心饱和，对于磁桥严重饱和的内置式电机，计算精度较低。（2）等效磁路法可考虑铁心饱和，计算精度较高。但该方法计算精度取决于划分节点的数量，节点过少会导致计算精度降低，节点过多会使计算更加复杂，增大计算时间。（3）绕组函数法与等效磁路法相结合，可在考虑铁心饱和的情况下快速计算电机磁场分布，节省计算时间，但该方法只能得到电机的径向气隙密度，无法计算切向气隙磁密。（4）子域法与等效磁路法相结合，可在考虑铁心饱和的情况下快速计算内置电机磁场分布。考虑到转子结构不同会使边界条件方程发生变化，现有解析模型通用性受到限制，仅适用于计算永磁体分布较为规则的电机（如切向式电机）。针对现有基于子域法与等效磁路法的内置式永磁电机电磁特性解析模型通用性受限的问题，本文提出了一种内置式永磁电机转子结构等效方法，为分析其它具有不规则永磁体排布结构的内置式电机提供了思路，并建立了可计算具有任意极槽配合的V型/U型/一字型内置式电机的空载电磁性能通用解析模型，弥补了现有解析模型通用性不足的缺陷，为相关电机的参数化分析及优化带来了方便，提高电机设计效率。基于总磁通不变原理对各转子拓扑进行等效，等效过程中保证永磁体的厚度及跨度角不变，V型/U型/一字型内置式电机拓扑结构及其等效示意图如图1所示。对于图1中各电机等效后的拓扑，可以发现其均具有磁桥结构、径向结构（径向永磁体或空气区域）与切向结构（切向永磁体或空气区域），此时永磁体分布较为规则，便于后续解析建模计算。
图1 不同永磁体结构内置电机拓扑及其等效结构示意图基于图1所示的等效拓扑，建立图2所示的内置式永磁电机空载电磁性能通用解析模型，为便于各子域及其相应边界条件的建立，做出如下简化：电机径向结构与切向结构均为永磁体，并忽略极间磁桥的存在，此时电机可划分为气隙、磁桥、径向分布永磁体及切向分布永磁体四个子域。
电机无槽时的空载气隙磁密分布可以通过求解各子域交界面处边界条件方程组得到，其中磁桥处的磁导率可根据图3所示等效磁路进行计算，并通过保角映射考虑开槽影响。需要注意的是，由于图2所示模型在简化过程中增加了永磁体用量并减少了漏磁，故其计算结果需通过等效磁路进行修正。
为了验证所提出解析模型的有效性，本文通过解析法与有限元法分别对V型结构、U型结构与一字型结构电机的空载电磁性能进行了计算，并搭建实验平台对V型结构电机与一字型结构电机空载性能进行了测试。所测试样机图片如图5、图6所示。
解析模型计算结果与有限元及实验结果吻合良好，验证了模型的有效性。所提模型在计算时求解等效磁路以考虑磁桥饱和时仅需计算一个N×N的非线性矩阵，其中N为图3中等效磁路节点数，其值远小于有限元模型的网格数；除此之外的计算时间可忽略不计，因为子域法求解时的方程均是线性的。故相比于有限元法，所提模型在计算时间上具有显著优势。本文提出一种将子域法及等效磁路法相结合的通用解析模型，可在计及磁桥饱和的情况下，计算具有任意极槽配合的V型/U型/一字型内置式电机空载电磁性能。为便于模型建立，提出了一种转子结构等效方法，这种等效为分析其它具有不规则永磁体排布结构的内置式电机提供了思路。通过解析模型计算出的空载气隙磁密、线反电动势及齿槽转矩结果与有限元和实验测试结果吻合较好。解析模型计算出的线反电动势幅值及其畸变率与有限元和实验测量结果间的误差均在3%以内；解析计算出的齿槽转矩幅值与有限元结果间的误差在10%以内。与有限元法相比，本文所提解析模型可在保证计算精度的前提下，实现V型/U型/一字型内置电机空载性能的快速计算，这为相关类型电机的初始设计及优化带来了方便。
沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心佟文明教授团队专注于非晶合金高速永磁电机、轴向磁通永磁电机、混合励磁电机、高性能伺服电机等关键技术研究和产业化应用。团队结合工程实际和科学前沿，所研制产品成功在新能源发电、电动汽车、轨道交通、工业机器人、石油化工、数控机床等领域应用，并与中国船舶七零四所、卧龙集团、上海达闼机器人、沈阳微控新能源等企业保持密切合作关系。课题组长期招收电机及其控制方向的博士、硕士研究生。 沈阳工业大学博士研究生，研究方向为非晶合金高速永磁电机设计、解析建模及多物理场分析。参与国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金面上项目、辽宁省兴辽英才计划项目等课题，发表SCI、EI论文11篇。 博士，沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心教授，博士生导师，入选国家优青、教育部霍英东青年教师基金等国家级及省部级人才计划，现任沈阳工业大学特种电机研究所所长。主持承担国家级科研项目4项、中央军委装备预研课题等项目十余项，以第一/通讯作者在学科顶级SCI、EI期刊发表论文40篇，以第一发明人授权发明专利10项。主要研究方向包括高速和低速直驱永磁电机、轴向磁通电机、混合励磁电机和新型软磁材料高性能电机设计、分析与控制。 本文编自2023年第6期《电工技术学报》，论文标题为“考虑磁桥非线性的内置式永磁同步电机空载电磁性能通用解析模型”。本课题得到辽宁省“兴辽英才计划”和辽宁省百千万人才工程资助项目的支持。李世奇, 佟文明, 贾建国, 唐任远. 考虑磁桥非线性的内置式永磁同步电机空载电磁性能通用解析模型[J]. 电工技术学报, 2023, 38(6): 1421-1432. Li Shiqi, Tong Wenming, Jia Jianguo, Tang Renyuan. General Analytical Model of No-Load Electromagnetic Performance of Interior Permanent Magnet Synchronous Motors Considering Nonlinearity of Magnetic Bridges. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(6): 1421-1432.
|
