一種磁場調制永磁電機的磁鏈計算方法

本發明屬于磁場調制永磁電機，具體涉及一種基于氣隙濾波效應和定子開槽效應的磁場調制永磁電機磁鏈計算方法。

背景技術：

1、相比于傳統永磁電機，磁場調制永磁電機因其磁場調制效應的存在，其轉矩密度可大幅提高，在電動汽車、機器人等領域具有良好的應用前景。磁場調制永磁電機主要包括開關磁通永磁電機、磁通反向永磁電機、游標永磁電機、磁齒輪永磁電機等，這些新型電機一方面豐富了電機學科的內涵，另一方面也給電機理論帶來了新的挑戰。

2、針對磁場調制永磁電機氣隙磁場和工作原理的研究是其拓撲結構研究和優化的基礎，通過對其磁場調制效應的分析發現，磁場調制永磁電機存在多個工作諧波，建立各階次磁密諧波對磁鏈貢獻的定量分析方法是磁場調制永磁電機工作原理研究的基礎。

3、文獻[陳燦若.高轉矩密度定子永磁型磁場調制電機拓撲研究[d].華中科技大學,2022.doi:10.27157/d.cnki.ghzku.2022.000546]通過對比一臺磁通反向永磁電機磁鏈的理論計算結果與有限元仿真結果，發現計算的誤差高達7.7%，這使磁密諧波對電機磁鏈貢獻的定量分析精度受到影響，對進一步分析電機工作原理帶來困難。對于磁通反向永磁電機磁鏈計算誤差產生原因的目前研究不多，上述文獻認為可能由于磁通反向永磁電機定子齒表面粘貼永磁體，導致氣隙位置距離電樞繞組所處的齒槽較遠，實際與繞組交鏈的磁密分量與氣隙磁密分量存在差別。除此之外，對于其他磁場調制電機的研究也可以借鑒，例如文獻[zhu?j,?zuo?y,?chen?h,?等.?deep-investigated?analytical?modeling?of?asurface?permanent?magnet?vernier?motor[j/ol].?ieee?transactions?on?industrialelectronics,?2022,?69(12):?12336-12347.?doi:10.1109/tie.2021.3134075]指出游標電機定子槽開口較大也會影響產生磁鏈的過程，而這一問題可能同樣存在于槽開口較大的磁通反向永磁電機上。文獻[黃海林.多工作磁動勢磁場調制電機理論分析與拓撲研究[d].華中科技大學,2021.doi:10.27157/d.cnki.ghzku.2021.006562]認為磁通反向永磁電機切向氣隙磁密較大，而傳統磁鏈法忽略了切向氣隙磁密，在考慮電機切向氣隙磁密的情況下提出根據麥克斯韋張量法計算電機平均轉矩，減小轉矩計算誤差；然而，根據麥克斯韋張量法計算磁通反向永磁電機轉矩繞過了電機磁鏈計算過程，該方法無法解決磁通反向電機磁鏈計算誤差較大的問題。

技術實現思路

1、鑒于上述，本發明提供了一種基于氣隙濾波效應和定子開槽效應的磁場調制永磁電機磁鏈計算方法，通過改變磁密取值位置(傳統是在電機物理氣隙中心處提取磁密值，而本發明在定子鐵芯內徑處提取磁密值)和考慮定子開槽系數，減少空載磁鏈計算結果與有限元仿真結果的誤差。

2、一種基于氣隙濾波效應和定子開槽效應的磁場調制永磁電機磁鏈計算方法，包括如下步驟：

3、（1）考慮磁場調制永磁電機存在氣隙濾波效應，選取定子鐵芯內徑處的磁密諧波分量用以計算磁鏈，并對其效果影響進行驗證；

4、（2）考慮磁場調制永磁電機存在定子開槽效應，通過加入定子開槽系數來計算磁鏈，并對其效果影響進行驗證；

5、（3）綜合考慮磁場調制永磁電機的氣隙濾波效應及定子開槽效應，改變磁密取值位置為定子鐵芯內徑處，并引入定子開槽系數，建立改進型磁鏈計算模型并利用該模型計算磁場調制永磁電機的磁鏈基波幅值。

6、進一步地，所述步驟（1）的具體實現方式為：首先通過有限元仿真得到分別取自電機物理氣隙中心處與定子鐵芯內徑處的磁密波形，并對磁密波形進行頻譜分析，得到不同位置空載磁密各階次幅值；然后，以電機物理氣隙中心處提取的磁密值來計算磁鏈基波幅值，同時以電機定子鐵芯內徑處提取的磁密值來計算磁鏈基波幅值；對比上述兩種磁鏈基波幅值計算結果與有限元仿真結果，揭示磁場調制永磁電機存在氣隙濾波效應，驗證通過選擇定子鐵芯內徑處的磁密諧波分量能夠減少磁鏈計算誤差，減少氣隙濾波效應對磁鏈計算的影響。

7、進一步地，所述步驟（1）中通過驗證可見：磁場調制永磁電機的氣隙以及永磁體的空間結構對于電機物理氣隙中心處的氣隙磁密有濾波效應，使得實際進入定子鐵芯同繞組交鏈的磁密諧波分量與物理氣隙中心處的磁密諧波分量有所差別，靠近定子鐵芯內徑處的磁密諧波分量更接近實際進入定子鐵芯同繞組交鏈的磁密諧波分量。

8、進一步地，以電機物理氣隙中心處提取的磁密值來計算磁鏈基波幅值的表達式如下：

9、

10、其中： ψp表示磁場調制永磁電機的磁鏈基波幅值， rg為電機物理氣隙半徑， lsk為電機軸向長度， ns為每相電樞繞組的串聯匝數， k n為第 n階次的繞組系數， b n為電機物理氣隙中心處第 n階次的磁密諧波幅值；當且僅當| ipm± pr|= jp時，第 n階次諧波對應的磁鏈不為零，即該次諧波為工作諧波， n為特定條件下的諧波階次且 n=| ipm± pr|= jp， p為電樞繞組極對數， pm為永磁體極對數， pr為電機轉子齒數， i表示磁密諧波的階次， j為定子開槽系數的階次。

11、進一步地，以電機定子鐵芯內徑處提取的磁密值來計算磁鏈基波幅值的表達式如下：

12、

13、其中： ds為定子鐵芯內徑， bs n為定子鐵芯內徑處第 n階次的磁密諧波幅值。

14、進一步地，所述步驟（2）的具體實現方式為：由于定子開槽會導致定子電樞的繞組函數發生變化，使進入槽口的空載磁密無法充分與槽內所有導體線圈交鏈；根據繞組函數各階次諧波分量幅值定義定子開槽系數，考慮定子開槽影響后各階次磁密諧波分量產生的磁鏈幅值需乘以相應階次的定子開槽系數，將修正后各階次磁密諧波分量產生的磁鏈幅值相加，得到考慮定子開槽系數后的磁鏈基波幅值計算結果；對比引入定子開槽系數前后的磁鏈基波幅值計算結果與有限元仿真結果，揭示磁場調制永磁電機存在定子開槽效應，驗證通過加入定子開槽系數能夠減少磁鏈計算誤差，減少定子開槽效應對磁鏈計算的影響。

15、進一步地，所述定子開槽系數的表達式如下：

16、

17、其中： k nα表示第 n階次的定子開槽系數，α表示定子槽開口角度， n為特定條件下的諧波階次且 n=| ipm± pr|= jp。

18、進一步地，所述步驟（3）中的改進型磁鏈計算模型表達式如下：

19、

20、一種計算機設備，包括存儲器和處理器，所述存儲器中存有計算機程序，所述處理器用于執行該計算機程序以實現上述基于氣隙濾波效應和定子開槽效應的磁場調制永磁電機磁鏈計算方法。

21、一種計算機可讀存儲介質，其存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執行時以實現上述基于氣隙濾波效應和定子開槽效應的磁場調制永磁電機磁鏈計算方法。

22、針對傳統磁場調制永磁電機磁鏈計算模型誤差較大的問題，本發明通過對比不同氣隙磁密的取值位置對磁鏈計算的影響規律，揭示了磁場調制永磁電機的氣隙濾波效應：與傳統在物理氣隙中心處取值的氣隙磁密值相比，本發明在定子鐵芯內徑處取值的氣隙磁密值更接近實際進入定子鐵芯同繞組交鏈的磁密分量。同時，本發明還揭示了磁場調制電機的開槽效應：定子槽開口將導致定子電樞的繞組函數發生變化，使進入槽口的空載磁密無法充分與槽內所有導體線圈交鏈，從而影響磁鏈計算的準確性；本發明通過考慮磁場調制電機的氣隙濾波效應和定子開槽效應，將原有磁鏈模型進行改進，大幅減小了計算誤差，提高了磁場調制永磁電機磁鏈計算模型的準確性。

23、對比傳統磁鏈基波幅值計算結果、改進后磁鏈基波幅值計算結果和有限元仿真結果，驗證了本發明通過改進模型減少磁鏈計算誤差，使得到的空載磁鏈的計算結果更加貼合真實值。