[发明专利]一种非正弦供电多相电机的磁势分析方法

说明书

技术领域

本发明属于电机分析设计技术领域，更具体地，涉及一种非正弦供电多相电机的磁势分析方法。

背景技术

多相电机具有高可靠性、高功率密度和高转矩密度等诸多优势，现已成为电力推进电机国内外研究的重点。为克服正弦供电电机中铁芯没有得到充分利用之缺点，多相电机定子可以采用整距集中绕组并以非正弦电源供电，以使谐波磁势得到利用，并能提高电机铁芯的利用率和转矩密度。而在注入谐波电流的多相电机中，气隙磁场的分析是有效谐波磁势利用的基础，进而成为电机性能计算及设计优化的关键。

多相电机的另一个重要优势是其具有较强的容错性能。当系统有一相或几相出现开路故障时，电机仍能正常起动并降功率容错运行，但此时的气隙磁场会出现大量空间谐波磁势，必然带来转矩脉动分量和损耗的增加。故需要对缺相后的定子电流进行调制，以抑制大量有害的空间谐波磁势，此种情况下对磁势进行分析计算也很重要。

因此，无论电机是在正常运行时还是在发生缺相故障时，准确且有效的磁势分析是电机性能分析及控制策略确定的必要前提。

在传统的磁势分析法中，先用傅立叶级数将定子绕组中非正弦电流分解为基波电流和一系列高次谐波电流，分别计算每相各次时间谐波电流所产生的各次空间谐波脉振磁势，将各次脉振磁势分解为一正一反旋转磁势，再进行叠加，得到多相电流合成的谐波磁势。对于单相、三相等相数不多的电机，传统的磁势分析法比较方便，能体现其清晰的物理本质，但对于多相电机（如附图1所示），在分析谐波电流与所产生的谐波磁势关系时，传统方法计算量较大，繁琐耗时。为弥补现有磁势分析方法的不足，从产生磁势的物理本质出发重新考虑其分析方法。尤其是非正弦供电多相电机在出现缺相故障情况时，气隙磁势会随故障情况而发生变化，现有的磁势分析方法无法提供简便、统一的计算过程，这是发明磁势分析新方法的根本原因。

发明内容

本发明的目的在于为非正弦供电多相电机提供一种多种工况下的统一的磁势分析方法。

本发明提出的新的磁势分析方法可以称为等值序电流法。等值序电流法引入等值正序电流与等值反序电流的新概念，将合成的正转圆形旋转磁场与反转圆形旋转磁场分别看作由等值正序电流与等值反序电流产生，将各次谐波电流表示为指数形式的电流相量，以磁势等效为基础，得到各次谐波磁势所对应的谐波等值序电流，再直接求相应的空间谐波正转磁势与反转磁势。从电机学基本原理出发，概念清晰，避免了传统方法将每相各次谐波磁势叠加的庞大计算。该磁势分析方法包含以下步骤：

(1)将电机运行时流过绕组的多相非正弦电流进行傅立叶分解，得到各奇数次谐波分量，并用相量的指数形式表示电流各奇次谐波，各奇次谐波电流对应的相位角不同，在指数式中用不同幅角表示；

(2)选取参考绕组，假定等值正序电流与等值反序电流为参考绕组中流过的电流，取参考绕组位置作为空间电角度的坐标原点，各相绕组的空间电角度也以指数形式表示，各奇次空间谐波对应的不同空间电角度在指数式的幅角中体现；

(3)根据空间磁势合成法则，所有相电流产生磁势的合成正转磁势、反转磁势分别等于基准绕组中等值正序电流产生的正转磁势、等值反序电流产生的反转磁势；在计算针对某一正序等值电流、反序等值电流时，将反映各相绕组空间电角度的指数式作为元素组成行向量矩阵，该矩阵的列数等于多相绕组的相数；再将指数式表示的各相电流相量作为元素组成列向量矩阵，该矩阵的行数等于多相绕组的相数；

(4)将空间电角度行向量矩阵扩展为多行矩阵，其各行依次对应各奇次空间谐波磁势，该矩阵行数由所求空间谐波磁势次数所定；再将电流列向量矩阵扩展为多列矩阵，其各列依次对应各奇次时间谐波电流，该矩阵列数由所取时间谐波电流次数所定；将上述两个矩阵相乘就得出各奇次谐波电流产生各奇次谐波磁势所对应等值正序电流幅值与相角、等值反序电流幅值与相角；

(5)由求得的各次谐波等值正序电流、等值反序电流得到对应的各次谐波正、反转磁势。

进一步地，由求得的各次谐波等值正序电流得到对应的各次谐波正转磁势具体为：

其中，f_pνμ是μ次谐波电流产生的ν次谐波正转磁势,F_pνμ是正转磁势f_pνμ的幅值，I_pνμ是等值正序电流的模，是的幅角，Nk_wν是参考绕组ν次谐波有效匝数，ω是电流时间角速度，θ是磁势旋转空间角速度，p是极对数。