[发明专利]一种永磁电机弱磁范围的设计方法

说明书

一种永磁电机弱磁范围的设计方法，属于特种电机领域。所述方法步骤是：建立异于传统弱磁方法的新型电流矢量路径；在新型电流矢量路径中线段OD与矢量PQ垂直，根据该垂直关系，得到磁链满足的几何等式，再联立电压与转矩的稳态方程，推导出电机弱磁范围与磁链的关系式，从而根据弱磁范围，便能得知所设计电机磁链的大小，再根据电机尺寸与磁链的关系，便能进行电机设计；利用磁路法确定电机的主要尺寸：定子内径、轴向长度、每项串联匝数、永磁体厚度、气隙长度；根据电机主要尺寸对电机进行有限元建模，验证弱磁范围是否满足设计要求，若满足要求，则确定最终设计方案；若不满足要求，则执行上一步骤。本发明用于永磁电机弱磁范围的直接设计。

技术领域

本发明属于特种电机领域，尤其涉及一种表面磁极式电机弱磁范围的设计方法。

背景技术

永磁电机因其具有高功率密度、高效率等特点，广泛应用于工业机器人、数控机床、电动汽车等领域。永磁电机由于其永磁磁链无法调节，在功率与电压受限的前提下，必须通过弱磁控制才可使其转速进一步升高。而目前应用于永磁电机的弱磁范围设计方法通常先根据设计指标，利用磁路法直接进行整体方案设计，然后再利用有限元法进行弱磁范围校核，设计之初并没有直接依据弱磁范围进行电磁设计，当弱磁范围不满足条件时，需要进行反复迭代设计。在整个设计过程中始终未直接建立磁链、电流等关键参数与弱磁范围的关系，导致设计具有盲目性，属于非直接且不准确的电机弱磁范围设计方法。因此，如何实现特定弱磁范围下永磁电机的高效设计已成为当前永磁电机设计领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明旨在解决表面磁极式永磁电机的常规弱磁范围设计方法具有非直接性与不准确性，提出一种永磁电机弱磁范围的直接设计方法。

本设计方法的核心思想在于新型电流矢量路径，其可直接建立弱磁范围与磁链参数的函数关系，避免常规设计方法中的反复试凑。

实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

一种永磁电机弱磁范围的设计方法，所述方法包括如下步骤：

步骤A.基于在电流复平面上永磁电机的电压与转矩稳态方程，建立异于传统弱磁方法的新型电流矢量路径；所述新型电流矢量路径具体为：

在不记及磁场饱和的前提下，表面磁极式永磁电机的直、交轴电感相等，则弱磁范围内电压U₀满足的稳态方程表示为(1)，转矩T_e满足的方程表示为(2)；

其中：i_q表示电流q轴分量，i_d表示电流d轴分量，L_s表示主相电感，ψ_f表示磁链，w表示角频率，P_N表示额定功率，p表示极对数；

由式(1)与(2)可知，U₀、T_e均与角频率w为反相关关系，同时电流矢量路径为U₀、T_e所满足方程的交点，从而得到新型电流矢量路径；

其中：表示为最大相电流的平方；

步骤B.新型电流矢量路径中矢量路径线段是基于电压稳态方程建立的，特点在于该线段所在直线经过w_e对应的电压圆，w_e为弱磁得到的最大角频率，同时过电流圆圆心作电压圆的切线恰好经过新型电流矢量路径线段与电压圆的交点，即该交点也是切点，根据垂直关系，得到磁链满足的几何等式，再联立电压U₀与转矩T_e的稳态方程，推导出电机弱磁范围与磁链的关系式，从而根据弱磁范围，便能得知所设计电机磁链的大小，再根据电机尺寸与磁链的关系，便能进行电机设计；