[发明专利]基于电热双向耦合的磁通切换外转子电机的设计方法

摘要

本发明公开一种基于电热双向耦合的磁通切换外转子电机的设计方法，利用二维有限元模型和三维温度场模型，建立电磁场温度场的多物理场联合仿真模型，考虑到温度对电机材料的影响导致温度对电机驱动性能的影响，尤其是温度对永磁磁钢材料的影响，引入电热双向耦合分析方法，通过反复迭代反馈分析得到传统设计方法忽略的温度因素所带来的影响；在设计过程中与电机的结构参数相关联，利用双向耦合分析得到修正因子，以补偿温度对电机驱动性能所带来的影响，通过获得的修正因子来优化电机的定子内径和定子极弧系数，从而修改电机尺寸，使电机运行在复杂工况也能满足要求。

主权项

一种基于电热双向耦合的磁通切换外转子电机的设计方法，选定电机的输出功率P₂、额定功率P、额定转速n、电机效率η、电机轴长l_a、定子极数p_s、转子极数p_r、电机漏磁系数k_d、斜槽系数k_s、电机线负荷A_s及气隙磁通密度最大值B_g max这些参数；计算出电机的初始定子极弧系数c_s、初始转子极弧系数c_r、初始永磁体极弧c_pm、初始定子槽口极弧c_slot和初始定子内径D_si；利用Maxwell软件建立电机的环境温度下的二维电磁场模型，利用Maxwell软件仿真出电机的平均输出转矩T_em、铁芯损耗P_Fe和永磁磁钢涡流损耗P_e，并计算出铜耗P_cu，其特征是还包括以下步骤：A、结合Fluent软件建立三维温度场模型，将铁芯损耗P_Fe、永磁磁钢涡流损耗P_e和铜耗P_cu导入到三维温度场模型，仿真得到电机运行达到稳定时的温度T_n；B、计算出电机在温度为T_n时刻下的剩余磁通密度B_r(T_n)和为内禀矫顽力H_ci(T_n)，更新环境温度下的永磁磁钢退磁曲线，获得电机在温度T_n下的永磁磁钢退磁曲线，将更新后温度T_n下的永磁磁钢退磁曲线数据反馈到所述二维电磁场模型，获得温度T_n下的二维电磁场模型；C、利用Maxwell软件仿真出电机在温度T_n下的平均输出转矩T_em(Tn)、铁芯损耗P_Fe(Tn)、永磁磁钢涡流损耗P_e(Tn)并计算出铜耗P_cu(Tn)，将铁芯损耗P_Fe(Tn)、永磁磁钢涡流损耗P_e(Tn)和铜耗P_cu(Tn)导入到三维温度场模型中，得到电机运行达到稳定时的温度T_n+1；D、比较温度T_n和T_n+1，当不满足条件|T_n‑T_n+1|≤σ时，σ是温度设计精度，则更新温度T_n下的永磁磁钢退磁曲线，获得电机在温度T_n+1下对应的永磁磁钢退磁曲线，再得到温度T_n+1下对应的平均输出转矩T_em(Tn+1)、铁芯损耗P_Fe(Tn+1)、永磁磁钢涡流损耗P_e(Tn+1)和铜耗P_cu(Tn+1)、并再次导入到三维温度场模型中，得到电机运行达到稳定时的温度T_n+2，再将温度T_n+2进行比较，如此循环直至满足条件；当满足条件|T_n‑T_n+1|≤σ时，则先仿真出电机在温度T_n+1下的平均输出转矩T_em(Tn+1)，再判断平均输出转矩T_em(Tn+1)是否等于平均输出转矩T_em，若不等于，则先计算得到转矩比例因子和修正因子然后经公式D_si(temp)＝m₁D_si和c_s(temp)＝m₂c_s修正所述初始定子内径D_si和所述初始定子极弧系数c_s，得到优化后的定子内径D_si(temp)和定子极弧系数c_s(temp)，m₁和m₂分别为优化后的定子内径D_si(temp)和定子极弧系数c_s(temp)的修正系数，k＝m²₁·m₂。