[发明专利]一种磁悬浮飞轮电机铁心磁饱和计算方法

说明书

本发明公开了一种磁悬浮飞轮电机铁心磁饱和计算方法，包括：获取轴向永磁磁悬浮飞轮电机的气隙磁力线分布，建立磁悬浮飞轮电机的等效磁网络模型；对磁悬浮飞轮电机等效磁网络模型进行节点编号，在此基础上设定节点间的初始相对磁导率；根据相对磁导率计算磁导矩阵、磁通矩阵、磁动势矩阵和等效磁网络模型中各磁通管的磁场强度，利用铁心的磁化曲线获取修正后的各磁通管相对磁导率和磁通密度；设定收敛条件，判断修正后的相对磁导率是否满足收敛条件；判断是否满足周期条件。本发明通过给定初始值计算对应的磁场强度，结合铁心材料的磁化曲线不断查找迭代获取铁心实际相对磁导率，提高磁饱和情况下的模型精度及适用性。

技术领域

本发明涉及磁悬浮电机的技术领域，尤其涉及一种磁悬浮飞轮电机铁心磁饱和计算方法。

背景技术

自21世纪以来，人类面临的环境和能源问题促使电动汽车进入高速发展阶段。作为车载动力电池的飞轮储能装置与传统化学蓄电池相比，具有能量密度高、无过度充放电问题、充电快、寿命长及无污染的优势，符合未来能源战略发展的方向，具有重大研究意义。

应用于飞轮储能领域的电机主要有交流感应电机、永磁电机及开关磁阻电机，其中感应电机的效率高、价格低、维护方便，但是电机的转子转差损耗大，转速不能太高；永磁电机的功率密度高，调速性能好，但轴向尺寸过大，临界转速低，限制其应用领域，并且磁轴承需要一定数量的线圈、铁心、传感器、控制系统等，因此整个系统成本较高。

近年来兴起的磁悬浮无轴承电机结合了磁轴承与开关磁阻电机的双重优点，可简化系统结构，提高临界转速与可靠性，将其用于飞轮领域，形成具备独特优势的磁悬浮飞轮电机，得到国内外学者广泛研究，相继出现径向分相、轴向分相等结构，其中轴向分相结构在实现电动/发电功能的同时，不额外增设磁轴承，仅用轴向分布的两套悬浮绕组即可实现径向四自由度悬浮，从而大幅提高系统集成度和临界转速，十分适合飞轮储能悬浮支承及能量的转化系统。

为了充分发挥轴向永磁磁悬浮飞轮电机的潜在优势，需要能够进行广泛的，特定于应用的参数优化方法，这要求快速且精确的分析工具，能够表征设计参数变化的特点。用于评估电机的基本分析模型有有限元分析模型，解析模型以及等效磁网络模型，这三种模型都可以应用于电机的建模与优化。有限元分析法具有较高的精确度和建模灵活的特点被广泛应用于电机的电磁分析，与解析法相比，它的求解速度比较慢，但是对于复杂拓扑建模的难度较高并且求解精度比有限元分析法低许多，相比之下，等效磁网络则实现了解析法求解速度和有限元分析法求解精度的平衡。

传统等效磁网络模型在考虑铁心磁饱和往往采用经典磁密修正公式，对电机铁心材料磁化曲线进行近似拟合，这种方法可以很方便地考虑电机运行过程中的磁饱和。然而经典磁密修正公式是基于经验的修正公式，不具备较高的精确度，特别是电机铁心材料的工作点位于其磁化曲线的膝点时，造成的误差较大，其结果不具备实际工程应用价值。

发明内容

发明目的：针对现有技术中磁悬浮飞轮电机的数学模型考虑磁饱和时精度较低的缺陷，本发明公开了一种磁悬浮飞轮电机铁心磁饱和计算方法，本发明在建立磁悬浮飞轮电机动态等效磁网络模型的基础上考虑其铁心磁饱和，在给定各节点间初始磁导率的前提下，计算出模型的磁导矩阵和磁通矩阵，并进而获取模型的磁动势矩阵，利用基本磁路公式获取各节点间的磁场强度，结合铁心的磁化曲线获取修正后的磁场强度和相对磁导率。在此基础上判断是否满足给定的收敛条件，若不满足，则将修正后的相对磁导率代入磁导矩阵重新计算，直至满足收敛条件为止。这种磁悬浮飞轮电机铁心磁饱和计算方法精度较高且适用于大部分磁悬浮飞轮电机。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种磁悬浮飞轮电机铁心磁饱和计算方法，其特征在于：包括以下步骤：