[发明专利]一种构造低频谐波电流计算电机高频电磁力的半解析方法

说明书

本发明公开了一种构造低频谐波电流计算电机高频电磁力的半解析方法，包括：根据电机的运行工况，得到电流波形，基于电流波形对电流进行傅里叶分解，得到基频电流和各谐波电流的幅值、频率；利用基频电流构造低频谐波电流，对通入基频电流和低频谐波电流的电机进行有限元仿真，得到电机中电磁场和电磁力的分布；对电磁场和电磁力的分布进行时间、空间的二维傅里叶分解，得到与低频谐波电流相关的电磁场和电磁力；对与低频谐波电流相关的电磁场和电磁力，通过频率和幅值映射得到各谐波电流引入的电磁场和电磁力。本发明在变频调速运行时，计算效率较高。

技术领域

本发明属于电机设计领域，更具体地，涉及一种构造低频谐波电流计算电机高频电磁力的半解析方法。

背景技术

采用变频器驱动电机运行时，电枢电流中除基波外，还存在丰富的谐波。这些电流谐波主要包括与电机运行基频相关的低频谐波，例如三相电机中存在的6k±1(k＝1，2，3，....)次谐波，以及变频器引入的高频谐波，其频率主要存在于变频器的开关频率及其倍频附近。这些电流谐波虽然幅值较小，但产生的高频磁场与基频磁场相互作用，会产生较大的高频电磁力，这些高频电磁力作用在电机上对电机的高频转矩波动、振动噪声水平有着显著的影响。尤其是在分数槽电机中，由电枢反应产生的电磁力谐波更加丰富，电机的振动与噪声也更加显著。因此在进行电机振动噪声研究时，如何对这些电磁力进行准确计算和分析显得尤为重要。

目前用于分析电机内电磁场和电磁力的方法有解析法和有限元法。解析法计算速度快，分析效率高，但由于采用了一些简化的处理方法，例如忽略铁心饱和、漏磁以及端部效应等，不可避免地会引入一定计算误差。有限元法能够考虑材料非线性、端部效应等影响，具有较高的计算精度，因此被广泛采用。当采用有限元法计算电机中的电磁场或电磁力时，为了同时准确算得基频和高频的成分，对仿真时长、步长有以下要求：(1)仿真时长需要大于电磁场或电磁力最低频成分的周期，(2)仿真步长要保证最高频的电磁场或电磁力在一个周期内有足够的采样点数，(3)仿真的频率分辨率(仿真时长的倒数)等于电磁场或电磁力基频和最高频的最大公约数。

随着电力电子器件的快速发展，电机变频驱动器中开关器件的开关频率不断提高，达到数十甚至数百千赫兹，引入的电流谐波频率远高于电机运行的基频，因此，在分析电磁场或电磁力时，为了同时满足上述三个条件，要求在有限元分析时仿真时长与步长的时间尺度相差很大，消耗巨大的计算资源；此外，变频调速运行时电机的基频不断变化，条件(3)很难满足，这就导致在数据处理中会引入一定的计算误差。

由此可见，现有技术在变频调速运行时，存在误差较大的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种构造低频谐波电流计算电机高频电磁力的半解析方法，由此解决现有技术在变频调速运行时，存在误差较大的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种构造低频谐波电流计算电机高频电磁力的半解析方法，包括：

(1)根据电机的运行工况，得到电流的波形图，基于波形图对电流进行傅里叶分解，得到基频电流和各谐波电流的幅值、频率；

(2)利用基频电流构造低频谐波电流，将基频电流和低频谐波电流输入电机电磁场、电磁力分析的有限元模型进行有限元仿真，得到电机中电磁场和电磁力的分布；

(3)对电磁场和电磁力的分布进行时间、空间的二维傅里叶分解，得到与低频谐波电流相关的电磁场和电磁力；

(4)对与低频谐波电流相关的电磁场和电磁力，通过频率和幅值映射得到各谐波电流引入的电磁场和电磁力。

进一步地，步骤(2)包括：

(2-1)根据电机的槽极配合、结构尺寸、绕组布置以及材料参数，建立电机电磁场、电磁力分析的有限元模型；