[发明专利]一种基于交流铜损快速计算的电机定子绕组优化设计方法

说明书

本发明公开了一种基于交流铜损快速计算的电机定子绕组优化设计方法，包括：建立简化有限元分析模型，通过采样与插值方法获得电机定子槽内磁密波形；确定绕组的线型、尺寸、串并联匝数、并绕股数及所在槽内位置参数；结合绕组交流损耗解析计算公式，分别求解绕组直流损耗、涡流损耗和环流损耗，求和得出交流损耗；判断绕组交流损耗是否满足要求，若未满足，则继续优化绕组设计，重新计算交流损耗。本发明可以准确地计算出绕组的总交流损耗，以及直流损耗、涡流损耗和环流损耗各占交流损耗的大小。同时本发明计算效率远高于精细化有限元模型分析方法，有助于提升电机定子绕组的优化设计效率。

技术领域

本发明涉及一种基于交流铜损快速计算的电机定子绕组优化设计方法，属于电机绕组优化设计的技术领域。

背景技术

随着航空电气化的发展，蓄电池已经难以满足飞机电气设备功率以及续航的要求，因此需要高速大功率的无刷起动发电机系统来支撑飞机的长期可靠运行。航空无刷电机的绕组均绕制在定子上，而高速运行时，定子绕组交流损耗增大，会影响到电机的运行效率，并且损耗增大引起的温升增加，会进一步影响电机的运行性能。因此，需要对电机定子绕组的优化设计加以重视。常见的电机绕组优化设计方法包括有限元法、磁网络法等，但这些方法存在着计算复杂度高、计算效率低的问题。

发明内容

本发明提出了一种基于交流铜损快速计算的电机定子绕组优化设计方法，旨在保证交流铜损计算准确性的前提下，提升电机定子绕组优化设计效率。

为了达到上述目的，本发明的具体实施方案如下：

一种基于交流铜损快速计算的电机定子绕组优化设计方法，具体包括以下步骤：

(1)在有限元分析软件中，建立电机简化有限元模型，并进行电磁仿真分析；

(2)对简化有限元模型所得仿真分析结果进行采样，获取电机定子槽内采样点位置的磁密信息，线性插值获得电机定子槽内任意位置的磁密波形；

(3)确定定子绕组的线型、尺寸、串并联匝数、并绕股数及所处槽内位置各参数，代入交流损耗解析计算公式分别求解直流损耗、涡流损耗和环流损耗；

(4)判断定子绕组当前形式是否满足交流损耗最小要求：如果尚未满足，则返回步骤(3)修改定子绕组参数，重新计算绕组交流损耗；如果满足铜损要求，则定子绕组优化设计完成。

进一步地，步骤(1)中建立的简化有限元模型将电机定子绕组部分的实际细化导体用一整块等效导体替代，仅输入导体数目信息，快速实现电磁仿真分析。

进一步地，步骤(2)中将定子槽内定子绕组区域划分为若干个最小矩形采样单元，取各最小矩形采样单元的顶点为采样点，读取各采样点的x轴方向磁密B_x和y轴方向磁密B_y的周期变化波形，对其进行线性插值，获得电机定子槽内任意位置的磁密波形；其中，最小矩形采样单元沿x轴方向长度为2a，沿y轴方向长度为2b，a的取值为定子槽宽的1/10～1/6，b的取值在保证能被定子槽深整除的前提下为a的50％～300％。

进一步地，步骤(2)在各最小矩形采样单元中对其四个采样点的磁密信息进行线性插值；其中，最小矩形采样单元四个顶点坐标分别为：i点(-a,-b)、j点(a,-b)、l点(-a,b)和m点(a,b)，则最小矩形采样单元内任意点(x,y)处的x轴方向磁密B_x(x,y)和y轴方向磁密B_y(x,y)表达式为：