[发明专利]基于混合励磁六相爪极发电机的电磁、温升、机械、电子耦合系统的建模方法

权利要求书

1.一种基于混合励磁六相爪极发电机的温升、电磁、机械、电子耦合系统的建模方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)、根据六相爪极电机电磁特性建立定子电压矩阵方程和励磁线圈电压方程；

2)、根据六相爪极发电机系统整流特性建立定子电压矩阵方程；

3)、根据六相爪极电机的机械特性建立电磁转矩方程和机械运动方程；

4)、根据六相爪极发电机系统的励磁电流控制特性建立PWM占空比和励磁线圈电压方程；

5)、根据六相爪极电机的温升特性建立定子铁心、转子铁心、定子绕组和励磁绕组的温升模型和温升模型的状态空间表达式；同时构建以定子初始温度、转子初始温度、定子绕组初始温度、励磁绕组初始温度、环境温度、转速、设定电压作为输入量，以定子铁心、转子铁心、定子绕组、励磁绕组的发热时间常数与稳态温升作为输出量的神经网络模型结构，利用神经网络对电机温升状态空间表达式中的发热时间常数和稳态温升进行预测，进而通过温升模型的状态空间表达式来预测电机在任一时刻的温升；

6)、以温升为耦合纽带，修正六相爪极发电机电磁特性模型中定子绕组电阻和励磁绕组电阻参数；

7)、基于步骤1)至步骤6)形成温升特性、机械特性、不控整流桥特性、励磁电流控制特性和电磁特性耦合的数学模型，其中，输入信号为：定子铁心的初始温度T_s0、转子铁心的初始温度T_r0、定子绕组初始温度T_sw0、励磁绕组初始温度T_rw0、环境温度T₀、设定电压u_set、转速n；输出信号为：定子铁心实际温度T_s、转子铁心实际温度T_r、定子绕组实际温度T_sw、励磁绕组实际温度T_rw、励磁电流I_f、励磁电流占空比ρ、输出电压u₀、电磁转矩T_e。

2.根据权利要求1所述的基于混合励磁六相爪极发电机的温升、电磁、机械、电子耦合系统的建模方法，其特征在于：步骤1)具体为：

1.1)、首先在ABCXYZ自然坐标系下建立数学模型

电压和电流按照电动机惯例定义参考方向，则定子电压矩阵方程为：

ψ_s＝L_si_s+M(θ)ψ_sm (2)

ψ_sm＝ψ_sm0+L_afi_f (3)

式中：

U_s为定子电压矩阵，U_s＝[u_a u_b u_c u_x u_y u_z]^T；

i_s为定子电流矩阵，i_s＝[ia i_b i_c i_x i_y i_z]^T；

ψ_s为定子磁链矩阵，ψ_s＝[ψ_a ψ_b ψ_c ψ_x ψ_y ψ_z]^T；

R_s为定子电阻矩阵，R_s＝R_sI_6×6，I_6×6为6×6维的单位矩阵；

L_s为定子电感矩阵，由定子漏感矩阵L_sl与定子电枢反应电感矩阵L_sag两部分组成，即L_s＝L_sl+L_sag，L_sl＝L_slI_6×6，

L_sl为定子绕组自漏感，L_ad和L_aq分别表示为定子绕组d轴和q轴主自感；

ψ_sm为混合励磁磁场在定子每一相绕组中产生的磁链幅值；

ψ_sm0为永磁体磁通在每一相绕组中产生的磁链幅值；

L_af为励磁线圈与定子绕组最大互感；

M(θ)为系数矩阵，定义：

其中，θ为混合励磁磁链所在方向与定子A相绕组轴线的夹角；

励磁线圈的电压方程为：

ψ_f＝M(θ)^TL_afi_s+L_ffi_f+ψ_fm₀ (5)

式中，u_f为励磁绕组端电压；R_f为励磁回路电阻；ψ_f为励磁绕组磁链；i_f为励磁绕组的励磁电流；L_ff为励磁绕组自感；ψ_fm0为永磁体在励磁绕组中产生的磁链，常数；

1.2)、在同步旋转d-q坐标系下建立数学模型，消除双三相电机数学模型中定子磁链与转子位置角之间的非线性因素

六相自然坐标系到同步旋转坐标系的变换矩阵为：

其逆变换，

对电压方程(1)施加变换

通过上面的变换，将六相自然坐标系中相互耦合的各物理量分解到完全解耦的d-q子空间、z1-z2子空间、01-02子空间中，由于双绕组中性线隔离，01-02子空间中的分量都为零，取d-q子平面与z1-z2子平面的电压方程：

式中，ω为同步电气角速度；

对定子磁链方程(2)施加变换：

同理，取d-q子平面与z1-z2子平面的磁链方程：

将方程(3)带入上式

式中，L_d、L_q分别是直轴与交轴的等效电感，L_d＝L_sl+3L_ad，L_q＝L_sl+3L_aq；L_z为z1-z2平面等效电感，L_z＝L_sl；

将式(11)与式(10)联合，可以得到电压分量与电流分量之间的关系：

励磁绕组的磁链方程(5)写成：

由于式(13)得到：

将(15)式带入方程(4)式，可以得到励磁线圈的电压方程：

综合式(12)与式(16)，得到：