[发明专利]基于水泵负载年损耗电量全局最优的电机参数设计方法

权利要求书

1.一种基于水泵负载年损耗电量全局最优的电机参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采集典型周期内水泵负载的输出功率数据，通过将输出功率数据等分为多个分区间，随后进行数据分析，通过提取在各个分区间中离散程度最小的特征值，结合各个分区间的权重系数，从而得出整个区间范围内的理论上的输出功率P_mec；

步骤2：根据输出功率P_mec匹配进行负载，建立负载匹配模型，，得出目标水厂所应设计电机的损耗计算模型，损耗计算模型建立方式包括：

先进行磁场分析，气隙区域的磁场和PM区域的磁场可以由拉普拉斯算子和准Possonian方程控制得到，如下式(8)和式(9)，

其中r是极坐标中的径向分量，θ是角位置，n是谐波次序，p是极对数，μ_r是相对磁导率，此外，M_r是磁化矢量径向分量，可以通过下式(10)计算得到

其中B_r是剩磁密度，μ₀是真空磁导率，α_p是极弧系数；

边界条件可通过以下公式(11)得到：

其中，R_s是定子内径，R_m是转子外径，R_r是转子内径，H_θair和H_θm是气隙和PM区域中磁场强度矢量的切向分量，B_rm和B_rair是气隙和PM区域中磁通密度矢量的径向分量；

气隙磁场可以通过下面式(12)求出

其中A_nair和B_nair是式(10)和式(11)的限制条件，此外，气隙B_r(r,θ)的磁通密度径向分量可以通过下面式(13)求出

齿磁密B_t和轭部磁密B_y可以通过B_g(n)求出，B_g(n)是气隙磁密径向分量的傅立叶展开形式，如下式(14)所示

其中，b_t为定子齿宽，h_y为定子轭部高度，τ_p是气隙极距，τ_s和θ_s是齿距和齿距相对角度；

每相的磁链ψ_i可以通过气隙磁通密度计算出来，如下式所示，

其中L_ef为定转子等效长度，N_p为匝数，b_oa为槽的开口角度，α_y为线圈间距；

电磁功率P_em和反电动势E_i可以通过下面式(16)和式(17)求出

其中I_i为相电流，ω_m为转速；

输出功率P_mec与电磁功率关系如下式(18)所示：

P_mec＝(1-s)P_em (18)

其中s为转差率；

接下来计算损耗，首先计算铁损，定子齿及轭单位体积的铁损p_Fe如下式(19)：

其中，k_h是磁滞损耗的系数，k_e是超额损耗的系数，B_m是磁通密度，f是频率，k_d是叠片的厚度，σ是材料的导电率，因此可以获得铁损P_Fe如下式(20)：

P_Fe＝p_FetV_t+p_FeyV_y (20)

其中，p_Fet和p_Fey是定子齿及轭单位体积的铁损值，V_t和V_y是定子齿及轭的体积；

其次计算铜损，如下式(21)～(25)所示

I_d为直轴电流，I_q为交轴电流，I_i为相电流，R₁为定子电阻，ρ_Cu为铜电阻率，S_f为槽满率，L_av为线圈平均半匝长，Q₁为定子槽数，S_s为槽的横截面积，U_N为额定相电压，θ为转矩角，X_d为直轴同步电抗，X_q为交轴同步电抗，E₀为空载反电动势，P_cu为铜耗；

因此，总损耗P_tot如下式(26)所示：

P_tot＝P_Fe+P_cu+P_fw+P_ad (26)

其中，P_fw为机械损耗，P_ad为杂散损耗；

步骤3：根据式(8)～式(26)得出的损耗计算模型，建立多变量多目标的目标函数，以年损耗量的总损耗P_tot最优为目标函数，设计约束条件，从而迭代计算得出优化后的设计参数X，目标函数如下式(27)：

P_tot＝P_Fe+P_cu+P_fw+P_ad (27)

所述设计参数X包括电机轴长L₁、转子内径R_r、永磁体厚度h_m、气隙宽δ、定子槽高h_s、定子轭部高h_y、定子齿宽w_t、极弧系数α_p中的一种或多种参数。