[发明专利]一种高速电机定子绕组线径与并绕根数的快速优化方法

说明书

本发明公开了一种高速电机定子绕组线径与并绕根数的快速优化方法，包括：有限元建模，将定子槽按径向分层，使用有限元法计算每层的磁密数据；输入电机基本参数和槽内磁密曲线；设置线径和并绕根数的寻优区间及步长；求取寻优区间内槽满率；计算定子绕组直流损耗、涡流损耗以及交流损耗；取定子绕组交流损耗最小的方案作为寻优初方案；在寻优初方案的基础上，选择相近线规和并绕根数，生成槽满率满足要求的候选方案；使用有限元法计算定子绕组直流损耗、涡流损耗以及交流损耗；使用热网络法计算定转子温升；选择绕组交流损耗和定转子温升最低的方案作为绕组线径与并绕根数的组合方案。本发明优化设计周期短，结果接近理论最优，大大提高优化速度。

技术领域

本发明属于超高转速电机设计技术领域，特别涉及一种高速电机定子绕组线径与并绕根数的快速优化设计方法。

背景技术

燃料电池空压机(Fuel Cell Compressor,FCC)作为燃料电池系统中最重要的零部件，多使用超高转速永磁电机作为驱动单元，电机的高速化可以有效提高空压机的功率密度和体积密度，配合离心式压缩机泵头还能同时提供较高的压力和较大的流量，能大幅提高燃料电池系统的功率密度和效率，大幅减小燃料电池系统的尺寸和成本，并改善水平衡。但高速永磁电机在超高转速运行过程中的绕组涡流损耗远远大于常规电机，导致电机绕组涡流损耗增加，效率降低，电机发热严重。为降低导体集肤效应和临近效应造成的绕组涡流损耗，高速永磁电机的定子绕组多以较小的铜线直径配合较多的并绕根数使用，如何选择最佳的线径和并绕根数是超高速电机设计过程中不得忽略的一个重要问题。

目前行业内高速电机设计中常用的定子绕组与并绕根数设计方法包括经验公式法和有限元逐一扫描法。

经验公式法的设计步骤如下：

S1：为使漆包线的裸铜线径要小于集肤效应在导体中的透入深度，使用公式(1)计算得到线径的最大尺寸要求[1-2]；

其中，r为导体的裸铜线半径；ω为导体内的电流频率；μ为导体的磁导率；σ为导体的电导率；

S2：查询线规标准，按线径最大尺寸要求选择2～4种常用的线径规格；

S3：使用槽满率计算公式(2)，以一定的槽满率为上限(一般电机为80％)，针对这2～4种常用的线径规格分别选择最大的并绕根数，得到这2～4种线径与并绕根数的匹配方案；

其中，α为定子槽满率、d_wire为漆包线外径，A_n为定子有效槽面积，a为定子绕组并绕根数，N为每槽导体数；

S4：综合考虑电机电密、槽满率、绕线工艺性以及成本，选择合适的线径与并绕根数匹配方案。

上述经验公式法直接忽略了集肤效应和临近效应产生的定子绕组涡流损耗，广泛应用于低速电机的设计过程中,但高速电机的定子绕组涡流损耗不能忽略不计，因此并不适用于高速电机的设计过程。

有限元逐一扫描法设计步骤如下：

步骤一：有限元建模，并设置并绕根数和线径的寻优区间和寻优步长；

步骤二：使用槽满率公式求取寻优区间内槽满率满足要求的候选方案；

步骤三：使用有限元法逐一扫描计算各个候选方案的定子绕组直流损耗、涡流损耗以及交流损耗；

步骤四：使用热网络法逐一扫描计算各个候选方案的定转子温升；

步骤五：综合考虑合适的线规、定子绕组交流损耗和定转子温升，选择合适的定子绕组线径与并绕根数方案。

上述有限元逐一扫描法计算结果较准确，但需要庞大的计算资源和优化设计时间，大幅加长了电机的开发周期,优化速度慢。