[发明专利]一种计及时空谐波条件的高速永磁电机永磁体损耗补偿方法及系统

说明书

本发明公开的一种计及时空谐波条件的高速永磁电机永磁体损耗补偿方法及系统，属于交流电机损耗分析及计算领域。以变频电源供电的高速永磁电机为研究对象，通过对永磁电机输入相电流进行傅里叶分析，获取各次谐波下电流激励，建立二维有限元涡流损耗模型，根据数学推导获取各次谐波激励下补偿后的永磁体涡流损耗和计及谐波条件下高速永磁电机永磁体涡流损耗的补偿计算模型，通过对各次谐波下补偿后的永磁体损耗叠，减小计算量，提高了永磁体损耗补偿的效率。本发明提出的一种计及时空谐波条件的高速永磁电机永磁体损耗补偿方法，考虑了涡流非轴向路径的永磁体涡流算法比常规二维有限元算法的计算结果约多30％。

技术领域

本发明属于交流电机损耗分析及计算领域，具体涉及一种计及时空谐波条件的高速永磁电机永磁体损耗补偿方法及系统。

背景技术

高速永磁电机具有体积小、效率高、控制简单、功率密度高、功率因数高、控制性能良好、发展潜力大、应用范围广等优点。高速永磁电机在高精密数控机床、航空航天装备、新能源汽车、电力装备、高性能医疗器械等五大领域都已显示出巨大应用潜力。高速永磁电机在带来自身优势的同时也增大了其分析、设计的难度。高速电机的研究难点之一是高频下的铁耗计算问题。高速电机体积小，能耗密度高，散热困难。由热交换原理可知，电机温度往往是内部转子部分较定子部分高，而高速永磁电机的转子永磁体最高温度高达近100摄氏度。散热问题得不到良好解决会导致电机寿命减少、永磁体永久退磁问题等。能耗是电机温升的来源，永磁电机转子无励磁绕组，因此转子损耗只有铁耗，而同步电机转子与电机基波磁场同步，因此只有谐波产生铁耗。但由于高速电机需要变频器提高电机转速，变频器中含有大量PWM高次谐波。然而在转子结构中，为了降低涡流损耗，转子护套通常是由电导率较低的碳纤维材料制造而成，而转子铁芯一般也是硅钢片层叠而成，涡流损耗密度小。而永磁体材料是实体结构，电导率相对护套较大，给涡流创造了流通路径，大大增加了涡流损耗。电机气隙磁场谐波透入转子的深度与转子材料的电导率成反比，碳纤维的电导率较低，因此气隙磁场谐波透入转子的深度较高。为利于转子散热，护套的厚度通常不高，因此气隙谐波磁场能够透入接触永磁体，导致永磁体的谐波附加涡流损耗大大增加，因此高速电机转子涡流损耗是导致电机永磁体温升的重要原因。

经典涡流损耗计算模型认为涡流损耗的大小与穿过硅钢的磁通密度大小的平方、频率的平方、硅钢片材料特性以及硅钢的厚度有关。然而经典涡流损耗计算模型是在假设涡流均匀分布的情况下推导的，并没有考虑高频下磁通集肤效应的影响。同时由于经典涡流损耗是以硅钢片为研究目标，由于硅钢片厚度远远小于其截面尺寸，因此在进行涡流计算公式推导时忽略了涡流轴向流通路径上的电阻。但由于永磁体是整块实心结构，其轴向厚度相对截面尺寸不能忽略，因此经典的涡流计算模型不再适用。转子涡流损耗比较精确的计算是通过建立三维有限元电机模型，然而三维有限元仿真非常耗费计算机资源，而涡流的分布不均也需要对转子各部位进行非常小的剖分，因此计算负担过大。转子涡流损耗的另一种常见计算方法是采用二维有限元计算，即在每个剖分单元内进行欧姆损耗计算然后进行叠加。然而二维有限元只能考虑涡流轴向流通路径上的欧姆损耗而无法考虑非轴向涡流流通路径的欧姆损耗，因此计算值偏小。因此，同时考虑高频下涡流分布不均的影响，涡流非轴向损耗的影响，各时空谐波产生的附加涡流损耗的涡流计算模型还不存在。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种计及时空谐波条件的高速永磁电机永磁体损耗补偿方法及系统，旨在解决现有技术中涡流计算模型不能同时考虑高频下涡流分布不均，涡流非轴向损耗和各时空谐波产生的附加涡流损耗的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种计及时空谐波条件的高速永磁电机永磁体损耗补偿方法，包括如下步骤，

S1、以变频电源供电的高速永磁电机为研究对象，通过对变频电源供电的高速永磁电机输入相电流进行傅里叶分析，获取各次谐波下电流激励；