[发明专利]基于解析法的表贴式永磁电机驱动系统场路耦合分析方法

说明书

本发明公开了一种基于解析法的表贴式永磁电机驱动系统场路耦合分析方法。根据电机的电压平衡方程，建立电机线电压向量、相电流向量、定子绕组磁链向量的耦合关系；通过磁场解析计算方法建立电机的相电流向量、定子绕组磁链向量、电机结构参数的耦合关系；建立电机线电压向量、相电流向量、电机结构参数的解析关系式；构建集总求解矩阵；求解集总求解矩阵，同时获得当前时间步长的相电流向量和矢量磁位的通解表达式中的所有待定系数向量，进而得到当前时间步长的定子绕组磁链向量并保存，进而对电机的输出转矩及转矩波动率进行分析。本发明能够同时计算相电流及矢量磁位，计算实时性好，能够在保证计算准确性的前提下有效提升计算效率。

技术领域

本发明涉及一种永磁电机驱动系统的场路耦合分析方法，特别是涉及了一种基于解析法的双层集中绕组表贴式永磁电机驱动系统场路耦合分析方法。

背景技术

永磁电机具有功率密度高、运行效率高等优点，在工业机器人、数控机床、电动汽车等领域得到广泛应用。脉冲宽度调制技术是实现永磁电机平稳运行的重要技术手段，但逆变器开关管斩波会导致电机相电流中存在载波频率或其倍数频附近的边带谐波分量；另一方面，受电机本体结构影响，磁链的空间谐波会为相电流引入低频谐波分量。这些相电流时间谐波均会影响电机的输出转矩等重要性能参数。利用场路耦合方法，可实现逆变器与永磁电机的统一建模，对永磁电机性能进行准确分析。

现有场路耦合方法可分为间接耦合和直接耦合两种。间接耦合方法的磁场计算与电路计算分两步进行，导致两者的计算结果之间不可避免地存在一个时间步长的延迟，严重时会导致系统不稳定；此外，当用于需要频繁改变结构参数的电机初始优化设计阶段时，间接耦合方法需要利用磁场计算模型多次重复电路参数表的建立过程，步骤复杂且效率较低。直接耦合方法可同时计算磁场量和电气量，计算结果实时性好，准确性较高，但现有直接耦合方法均以基于有限元的磁场计算模型为基础(称为场路耦合时步有限元模型)，无法在保证计算准确性的同时兼顾计算效率。

发明内容

为了实现双层集中绕组表贴式永磁电机性能参数的快速准确分析，本发明提出了磁场量与电气量同时解析求解的思想，分三步建立了电机线电压、相电流及电机结构参数的解析关系式。通过构建以电机线电压为激励源的场路耦合解析模型集总求解矩阵，实现矢量磁位与相电流的同时解析计算。进而在同时考虑驱动参数及电机结构参数影响因素条件下，实现电机性能的准确分析。

本发明具体采用以下技术方案：

本发明包括以下步骤：

1)对于三相绕组为星形连接方式的永磁电机，根据永磁电机的电压平衡方程建立电机线电压向量、相电流向量、定子绕组磁链向量的耦合关系；

2)通过磁场解析计算方法建立永磁电机的相电流向量、定子绕组磁链向量、电机结构参数的耦合关系；

3)根据电机线电压向量、相电流向量、定子绕组磁链向量的耦合关系和永磁电机的相电流向量、定子绕组磁链向量、电机结构参数的耦合关系，建立电机线电压向量、相电流向量、电机结构参数的解析关系式；

4)利用各个相邻子域之间磁密径向分量连续及磁场强度切向分量连续的分界面边界条件，建立各个子域矢量磁位通解表达式中的第一-第九待定系数与相电流满足的约束方程，并结合步骤3)中的电机线电压向量、相电流向量、电机结构参数的解析关系式，构建集总求解矩阵；

5)在每个时间步长内，根据当前时间步长的电机线电压向量，上一时间步长的相电流向量、定子绕组磁链向量以及电机的结构参数，求解集总求解矩阵，同时获得当前时间步长的相电流向量和各子域矢量磁位的通解表达式中的第一-第九待定系数向量，根据步骤2)中电机的相电流向量、定子绕组磁链向量、电机结构参数的耦合关系，计算得到当前时间步长的定子绕组磁链向量，保存当前时间步长的相电流向量和当前时间步长的定子绕组磁链向量，用于下一时间步长的计算；