一种永磁同步电机增量电感的计算方法及装置

技术领域

本发明永磁同步电机参数仿真计算领域，特别涉及一种永磁同步电机增量电感的计算方法及装置。

背景技术

永磁同步电机相较于其他类型的电机，由于采用永磁体励磁，因此避免引引入额外的励磁装置，导致其结构尺寸缩小、功率密度升高，现已被广泛应用于电动汽车、家用电器和高速主轴等应用领域。目前，永磁同步电机的研究热点主要集中在本体设计和驱动控制领域。而永磁同步电机电感的计算则与电机性能预测和精确控制息息相关。在电机设计领域，永磁同步电机电感一般指交直轴电感，即d-q轴电感，主要包括视在电感和增量电感两类；其中视在电感对其稳态电磁性能的计算影响较大；增量电感则与电机暂态电磁性能有关。因此，永磁同步电机的增量电感的计算对改进控制算法提高电机动态相应能力具有重要意义。

在永磁同步电机电磁设计阶段，d-q轴增量电感的计算方法主要包括解析法和有限元法两类。其中解析法具有计算迅速的优点，但其计算精度较差且较难考虑材料非线性的影响，适用于结构简单的电机拓扑形式和对计算精度要求不高的应用场景；有限元法则具有计算精度高的优点，并且能够考虑材料非线性以及交直轴交叉耦合效应对增量电感的影响，适用于各种结构复杂的永磁电机的电磁仿真计算。在采用有限元法对电机电磁进行建模计算从而求解电机增量电感的过程中，现有技术通常采用静磁场求解器在特定定转子相对位置下进行求解，其具有无法考虑交叉耦合效应以及无法计及齿槽效应的缺点。

采用冻结磁导率的方法锁定特定负载下的电机磁导率的仿真方法，是解决上述核心问题的一项潜在技术方案。然而，冻结磁导率法执行较为复杂，需要有限元求解器具备执行冻结磁导率的功能或者需要对求解器进行一定程度的修改，并且在计算过程中需要多次求解导致计算成本和时长的增加。因此，为了解决上述问题有必要针对永磁同步电机增量电感计算问题，探索一种在能够考虑饱和效应和交直轴交叉耦合效应的永磁同步电机增量电感的新型快速计算方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种永磁同步电机增量电感的计算方法及装置，基于瞬态场求解的考虑饱和效应和交叉耦合效应的新型电机电磁场有限元计算方法以及相应的建模逻辑，实现永磁同步电机增量电感的快速精确计算。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种永磁同步电机增量电感的计算方法，包括：

(1)建立电流源激励的永磁同步电机的仿真模型；

(2)在仿真模型处于稳态下获取第一定子绕组磁链信号；

(3)对建立的仿真模型的电流源叠加小电流信号后再次求解获取仿真模型处于稳态下的第二定子绕组磁链信号；

(4)基于第二定子绕组磁链信号、第一定子绕组磁链信号的差值以及叠加的小电流值计算得到永磁同步电机增量电感。

步骤(1)中，建立的仿真模型为：构建负载情况下电流源激励的永磁同步电机电磁场时步有限元模型。

步骤(2)中，对步骤(1)中所建立的电流源激励的永磁同步电机电磁场时步有限元仿真模型进行求解，待有限元模型达到稳态后获取三相定子磁链信号ψ

步骤(3)中，对建立的仿真模型的三相电流源信号i

对修改电流源信号的电流源激励的永磁同步电机电磁场时步有限元仿真模型进行求解，待有限元模型达到稳态后获取修改d轴电流对应的三相定子磁链信号ψ

步骤(4)中，将第二定子绕组磁链信号、第一定子绕组磁链信号的差值除以叠加的小电流值后计算得到永磁同步电机增量电感。

计算永磁同步电机增量电感包括分别计算永磁同步电机d轴增量电感和q轴增量电感。

在一个仿真电周期内仿真计算得到的多个永磁同步电机增量电感求平均后得到的增量电感作为最终增量电感。

在仿真模型的稳定状态是指仿真时长达到1-2个仿真电周期，其中仿真电周期T与建立的仿真模型的供电频率f的数学关系为T＝1/f。

定子磁链信号由定子绕组反感应电动势信号e(t)求得。

一种永磁同步电机增量电感的计算装置，包括

仿真模块、磁链信号计算模块、增量电感计算模块；

所述仿真模块被配置为建立电流源激励的永磁同步电机的仿真模型；

所述磁链信号计算模块被配置为分别计算仿真模型的电流源叠加小电流信号前后的绕组磁链信号；

计算模块被配置为基于计算得到的仿真模型电流源叠加小电流信号前后的绕组磁链信号以及小电流信号计算得到到永磁同步电机增量电感。

本发明的优点在于：采用有限元法对永磁同步电机电磁场进行仿真建模，能够有效精确考虑材料非线性所引入的局部饱和效应对电机增量电感的影响；此外，与现有的采用冻结磁导率法计算永磁同步电机增量电感的计算方法相比，本发明无需对求解器进行或者二次开发，使其具备运行冻结磁导率的功能；同时，本发求解速度迅速且能够在瞬态场下求解，因此能够精确考虑定转子齿槽效应对电机增量电感的影响；最后，本发能够有效考虑交叉耦合效应，并能对d轴和q轴增量电感分别进行精确计算。综上所述，本发明基于有限元分析计算法为永磁同步电机增量电感的快速精确计算提供完整的系统的思路方案。

其构思的机理是：首先建立电流源激励的永磁同步电机电磁场时步有限元仿真模型，对其仿真计算求出三相定子磁链，并将三相磁链经三相静止坐标系变换到两相旋转坐标系下得到d-q轴磁链；然后，再在电流源激励中分别叠加d-q轴电流增量小信号，并求出三相定子磁链和相应的考虑d-q轴电流增量小信号影响的d-q轴磁链；最后，分别求出d-q轴磁链信号差值从而求出d-q轴增量电感。

附图说明

下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1为本发明一种永磁同步电机增量电感计算方法流程示意图；

图2为本发明提出的模型所计算的三相定子磁链信号随时间变化图；

图3为本发明提出的模型所计算的d-q轴磁链信号随时间变化图；

图4为本发明所提出的模型计算的d-q轴增量电感随时间变化曲线。

具体实施方式

下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

如图1所示，一种永磁同步电机增量电感的计算方法，包括构建负载情况下电流源激励的永磁同步电机电磁场时步有限元模型，求解获得定子绕组磁链信号；在电流源中叠加小信号，重新求解考虑小信号影响的定子绕组磁链；最终依据两种磁链信号差值和电流信号差值求取永磁同步电机增量电感；本发明能够有效考虑饱和效应和交直轴交叉耦合效应对电机增量电感的影响，在保证计算精度的影响下，能够有效缩短计算时长、较少计算资源和降低开发成本。

具体步骤包括：

(1)建立电流源激励的永磁同步电机电磁场时步有限元仿真模型，其中三相电流源信号i

式中：i

(2)对步骤(1)中所建立的电流源激励的永磁同步电机电磁场时步有限元仿真模型进行求解，待有限元模型达到稳态后获取三相定子磁链信号ψ

(3)将步骤(2)中所获取的三相定子磁链信号ψ

式中：θ为转子机械位置所对应的电角度；

(4)修改步骤(1)中所建立的电流源激励的永磁同步电机电磁场时步有限元仿真模型的三相电流源信号i

(5)对步骤(4)中修改电流源信号的电流源激励的永磁同步电机电磁场时步有限元仿真模型进行求解，待有限元模型达到稳态后获取三相定子磁链信号ψ

(6)根据步骤(3)中三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换公式，将步骤(5)中所获取的三相定子磁链信号ψ

(7)根据步骤(3)中所求取的d轴磁链ψ

(8)修改步骤(1)中所建立的电流源激励的永磁同步电机电磁场时步有限元仿真模型的三相电流源信号i

(9)对步骤(8)中修改电流源信号的电流源激励的永磁同步电机电磁场时步有限元仿真模型进行求解，待有限元模型达到稳态后获取三相定子磁链信号ψ

(10)根据步骤(3)中三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换公式，将步骤(9)中所获取的三相定子磁链信号ψ

(11)根据步骤(3)中所求取的q轴磁链ψ

(12)由于在仿真模型中，一个电周期里面有仿真若干个步长，就是说里面有多个仿真，每个仿真对应能求一个d轴和q轴增量电感，因为一个电周期内转子会旋转一定角度，不同的转子位置下的电感是会变化的，所以多个不同转子位置下求得到的d轴和q轴增量电感分别进行平均后作为最终的增量电感值，更加合理和准确。即根据步骤(7)和步骤(11)所求取的d-q轴增量电感L

在一个优选的实施例中，步骤(1)中，d-q轴电流i

在一个优选的实施例中，步骤(2)、步骤(5)和步骤(9)中，达到稳态的仿真时长可有工程实际需求选取，一般为1至2个仿真电周期T，仿真电周期T和供电频率f的数学关系为T＝1/f。

在一个优选的实施例中，步骤(4)和所述步骤(8)中，增量小信号δ

在一个优选的实施例中，步骤(2)、所述步骤(5)和所述步骤(9)中，定子磁链信号ψ(t)，可由定子绕组反感应电动势信号e(t)求得，其表达式为ψ(t)＝∫

本实施例还提供一种永磁同步电机增量电感的计算装置，包括

仿真模块、磁链信号计算模块、增量电感计算模块；

其中仿真模块被配置为建立电流源激励的永磁同步电机的仿真模型；

磁链信号计算模块被配置为分别计算仿真模型的电流源叠加小电流信号前后的绕组磁链信号；

计算模块被配置为基于计算得到的仿真模型电流源叠加小电流信号前后的绕组磁链信号以及小电流信号计算得到到永磁同步电机增量电感。

仿真模块、磁链信号计算模块、增量电感计算模块分别按照本实施例中计算方法中的步骤(1)-(12)进行配置。

为了验证本方案的计算增量电感的准确性和可靠性，下面将提供一个具体的仿真实施例对上述方案中的计算步骤进行介绍：

(1)采用Altair Flux电磁有限元仿真软件建立一台36槽4极，1000rpm永磁同步电机时步有限元仿真模型，求解时长为0至0.03s；该模型采用三相电流源供电，供电频率f为50Hz，d轴电流i

(2)对步骤(1)中所建立的电流源激励的永磁同步电机电磁场时步有限元仿真模型进行求解，模型在有限元仿真时间0.01s后达到稳态，提取如图2所示0.01s至0.03s三相定子磁链信号ψ

(3)将步骤(2)中所获取的三相定子磁链信号ψ

式中：θ为转子机械位置所对应的电角度，d轴磁链ψ

(4)修改步骤(1)中所建立的电流源激励的永磁同步电机电磁场时步有限元仿真模型的三相电流源信号i

(5)对步骤(4)中修改电流源信号的电流源激励的永磁同步电机电磁场时步有限元仿真模型进行求解，模型在有限元仿真时间0.01s后达到稳态，提取0.01s至0.03s三相定子磁链信号ψ

(6)根据步骤(3)中三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换公式，将步骤(5)中所获取的三相定子磁链信号ψ

其平均值为0.0413Wb；

(7)根据步骤(3)中所求取的d轴磁链ψ

其随时间变化曲线如图4所示；

(8)修改步骤(1)中所建立的电流源激励的永磁同步电机电磁场时步有限元仿真模型的三相电流源信号i

(9)对步骤(8)中修改电流源信号的电流源激励的永磁同步电机电磁场时步有限元仿真模型进行求解，模型在有限元仿真时间0.01s后达到稳态，提取0.01s至0.03s三相定子磁链信号ψ

(10)根据步骤(3)中三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换公式，将步骤(9)中所获取的三相定子磁链信号ψ

其平均值为0.353Wb；

(11)根据步骤(3)中所求取的q轴磁链ψ

其随时间变化曲线如图4所示；

(12)根据步骤(7)和步骤(11)计算获取d-q轴增量电感平均值L

表1

其中，步骤(1)中，d-q轴电流i

其中，步骤(2)、步骤(5)和步骤(9)中，达到稳态的仿真时长可有工程实际需求选取，一般为1至2个仿真电周期T，仿真电周期T和供电频率f的数学关系为T＝1/f。实施例中，供电频率f＝50Hz，则一个仿真电周期为0.02s，模型在0.01s后达到稳态，一共仿真时长为0.03s。

其中，步骤(4)和所述步骤(8)中，增量小信号δ

其中，步骤(2)、所述步骤(5)和所述步骤(9)中，定子磁链信号ψ(t)，可由定子绕组反感应电动势信号e(t)求得，其表达式为ψ(t)＝∫

显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。