一种无刷电励磁磁场调制电机的高精度场路耦合设计方法

摘要

本发明公开了电机设计领域的一种无刷电励磁磁场调制电机的高精度场路耦合设计方法，所述高精度场路耦合设计方法包括以下步骤：步骤一：导出电枢绕组、励磁绕组磁链、电磁转矩、绕组电感数据；步骤二：构建磁链—电流、磁链—电磁转矩插值函数；步骤三：建立以磁链矩阵为状态变量的电机电流、电磁转矩的数据库；步骤四：建立其电压方程模型、磁链—电流方程模型、机械运动方程模型；步骤五：建立电机逆变器模型；步骤六：建立离散化电机控制器模型。所述的高精度场路耦合设计方法，可实现电机性能的高精度预测与分析；设计过程中不需要考虑电机的电枢绕组、励磁绕组电感矩阵，有效的提高了设计方法的稳定性；可实现电机动态性能的快速预测分析。

说明书

技术领域

本发明涉及电机设计领域，具体是一种无刷电励磁磁场调制电机的高精度场路耦合设计方法。

背景技术

过去二十多年来，使用稀土永磁体的永磁电机，因其高转矩密度、高效率的优势受到了广泛的关注。但是，稀土永磁材料有价格昂贵且供应不稳定的缺陷。与永磁电机不同，电励磁电机使用励磁绕组产生空载气隙磁场，取代了永磁电机内部的永磁体，从而克服了永磁电机的一系列固有缺陷。

电励磁电机可以分为两种，一种是传统的转子绕线式电励磁电机，其电枢绕组和励磁绕组分别位于定子和转子上。转子绕线式电励磁电机在发电机和牵引电机等领域都取得了广泛的应用，但其转子励磁需要电刷、滑环或交流励磁装置，降低了其可靠性。另一种电励磁电机是无刷电励磁磁场调制电机，该种电机的绕组，包括电枢绕组和励磁绕组，都位于定子上，转子为凸极结构其槽内没有填充物，从而实现了定子励磁无刷运行。

为了精确预测无刷电励磁磁场调制电机的动态特性，可以使用基于有限元仿真的场路耦合分析方法预测电机绕组电流、转矩的变化情况。该种方法预测结果精确，但是计算耗时较长，且该方法算力需求量大，无法满足电机分析设计的时效性要求，限制了其在无刷电励磁磁场调制电机分析中的应用。为此我们提出一种无刷电励磁磁场调制电机的高精度场路耦合设计方法用于解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无刷电励磁磁场调制电机的高精度场路耦合设计方法，以解决上述背景技术中提出的使用基于有限元仿真的场路耦合分析方法预测电机绕组电流、转矩的变化情况，但是计算耗时较长，且该方法算力需求量大，无法满足电机分析设计的时效性要求，限制了其在无刷电励磁磁场调制电机分析中的应用问题，本发明能够提供无刷电励磁磁场调制电机与其控制电路的高精度场路耦合分析结果，同时降低耦合设计的计算需求。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种无刷电励磁磁场调制电机的高精度场路耦合设计方法，所述高精度场路耦合设计方法包括以下步骤：

步骤一：使用有限元仿真遍历励磁电流幅值、电枢电流幅值、电枢绕组电流相位角下的无刷电励磁磁场调制电机性能，导出电枢绕组、励磁绕组磁链、电磁转矩、绕组电感数据；

步骤二：根据无刷电励磁磁场调制电机的电枢绕组、励磁绕组的电流和磁链、电磁转矩的映射关系，构建磁链—电流、磁链—电磁转矩插值函数；

步骤三：根据设计的精度需求，建立磁链矩阵的样本点数据集，基于步骤二所构建的磁链—电流、磁链—电磁转矩插值函数，建立以磁链矩阵为状态变量的电机电流、电磁转矩的数据库；

步骤四：基于步骤三建立的无刷电励磁磁场调制电机的性能数据库，建立其电压方程模型、磁链—电流方程模型、机械运动方程模型；

步骤五：建立电机逆变器模型；

步骤六：建立离散化电机控制器模型。

优选地，所述无刷电励磁磁场调制电机由定子、转子、绕组组成，定子和转子均为凸极结构，定子和转子之间存在气隙，励磁绕组和电枢绕组均嵌在定子槽内，转子槽内没有填充物，电机运行时，励磁绕组通入直流电，电枢绕组通入对称交流电。

优选地，所述步骤五中建立的电机逆变器模型包括电枢绕组逆变器模型和励磁绕组变流器模型。

优选地，所述步骤六中建立的离散化电机控制器模型包括转速控制模块和电流控制模块。

优选地，所述无刷电励磁磁场调制电机采用三相电枢绕组或多相电枢绕组。

优选地，所述高精度场路耦合设计方法使用磁链矩阵作为状态变量的无刷电励磁磁场调制电机，不用引入三维电感矩阵。

优选地，所述高精度场路耦合设计方法同时考虑无刷电励磁磁场调制电机的磁场空间谐波、磁路非线性、逆变器非线性。

优选地，本方法为电励磁或混合励磁电机建立高精度场路耦合设计方法，使用励磁电流作为励磁源或部分励磁源的电机，其使用磁链矩阵作为状态变量的场路耦合设计方法都落入本发明的权利要求中。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明高精度场路耦合设计方法，其电机性能参数，包括磁链、转矩等，由有限元仿真分析得到，可实现电机性能的高精度预测与分析；

2.本发明高精度场路耦合设计方法，其设计过程中不需要考虑电机的电枢绕组、励磁绕组电感矩阵，有效的提高了设计方法的稳定性；

3.本发明高精度场路耦合设计方法其电流、磁链、转矩计算过程通过查表实现，与有限元仿真分析相比，其计算需求低、可实现电机动态性能的快速预测分析。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明高精度场路耦合设计方法的流程图；

图2是本发明高精度场路耦合设计方法的框架图；

图3是本发明中无刷电励磁磁场调制电机拓扑；

图4是本发明采用电感矩阵作为状态变量的电压方程、电流方程、磁链方程和机械运动方程的设计框架示意图；

图5是本发明采用磁链矩阵作为状态变量的电压方程、电流方程、磁链方程和机械运动方程的设计框架示意图；

图6是本发明采用电感矩阵作为状态变量的额定转速带载运行电机性能波形图；

图7是本发明采用磁链矩阵作为状态变量的额定转速带载运行电机性能波形图；

图8是本发明采用磁链矩阵作为状态变量的额定转速空载运行电机性能波形图；

图9是本发明采用磁链矩阵作为状态变量的励磁绕组电流在不同转速下的频谱图；

图10是本发明采用磁链矩阵作为状态变量的励磁绕组感应脉动电压在不同转速下的频谱图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图10所示，一种无刷电励磁磁场调制电机的高精度场路耦合设计方法，请参阅图1、图2所示的流程图和框架图，其中i

步骤一：使用有限元仿真遍历励磁电流幅值从0A到80A、电枢电流幅值从0A到80A、电枢绕组电流相位角从－180°到+180°下的无刷电励磁磁场调制电机性能，导出其电枢绕组、励磁绕组磁链、电磁转矩、绕组电感数据；

其中，请参阅图3所示，无刷电励磁磁场调制电机由定子、转子、绕组组成，其中定子和转子均为凸极结构，两者之间存在气隙，电机的绕组分为励磁绕组和电枢绕组，二者都嵌在定子槽内，转子槽内没有填充物，当电机运行时，励磁绕组通入直流电，电枢绕组通入对称交流电；

无刷电励磁磁场调制电机使用三相对称电枢绕组，分别为A相、B相、C相，当电机运行时，电枢绕组分别通入三相对称交流绕组，三相绕组两两相位相差120度电角度，励磁绕组通入直流电，本发明不仅适用于三相电枢绕组的无刷电励磁磁场调制电机，也适用于多相电枢绕组的无刷电励磁磁场调制电机。

步骤二：请参阅图4所示的结构框图，根据无刷电励磁磁场调制电机的电枢绕组、励磁绕组的电流和磁链、电磁转矩的映射关系，构建以电感矩阵为状态变量的电机电流、电磁转矩插值函数；

请参阅图5所示的结构框图，根据无刷电励磁磁场调制电机的电枢绕组、励磁绕组的电流和磁链、电磁转矩的映射关系，构建以磁链矩阵为状态变量的电机电流、电磁转矩插值函数。在图4和图5中，ψ

步骤三：对于以磁链矩阵为状态变量的高精度场路耦合设计方法，还需要根据设计的精度需求，建立磁链矩阵的样本点数据集，基于步骤二建立的磁链—电流、磁链—电磁转矩插值函数，建立以磁链矩阵为状态变量的电机电流、电磁转矩的数据库。

步骤四：基于无刷电励磁磁场调制电机的性能数据库，建立其电压方程模型、磁链—电流方程模型、机械运动方程模型。

步骤五：建立电机逆变器模型，包括电枢绕组逆变器模型和励磁绕组变流器模型，其中，电枢绕组由三相全桥逆变器供电，励磁绕组由全桥供电。

步骤六：建立离散化电机控制器模型，包括其转速、电流控制模块，其中，电机转速、电流控制模块均采用串联式比例积分调节器。

进一步的，请参阅图6所示，图6展示了使用电感矩阵作为状态变量的无刷电励磁磁场调制电机的场路耦合设计方法，其运行在高负载工况时，电机电流、转矩等特性进入异步振荡状态，从而显示该设计稳定性较差。

进一步的，请参阅图7所示，图7展示了使用磁链矩阵作为状态变量的无刷电励磁磁场调制电机的高精度场路耦合设计方法，其运行稳定，不会出现转矩、电机电流振荡，从而显示该设计的稳定性较好，同时，其在设计过程中没有引入电感矩阵，使得其求解得到了简化，减小了其计算需求。

进一步的，请参阅图8所示，图8展示了使用磁链矩阵作为状态变量的无刷电励磁磁场调制电机的高精度场路耦合设计方法预测的电机空载性能，可以得到其可以预测反电势中存在的高次谐波与电机励磁电流因励磁绕组感应脉动电压和控制器开关噪声导致的谐波，同样该设计也可以预测PWM激励下的无刷电励磁磁场调制电机的励磁绕组感应脉动电压。

进一步的，请参阅图9、图10所示，图9和图10展示了使用磁链矩阵作为状态变量的无刷电励磁磁场调制电机的高精度场路耦合设计方法预测的电机启动过程中的励磁绕组电流和励磁绕组感应脉动电压的频谱图，可以得到励磁绕组电流和励磁绕组感应脉动电压中有丰富的谐波，该动态过程的电机特性可以由该高精度场路耦合设计方法预测。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。