无刷直流电机解析法磁场求解研究文献综述

 2022-11-21 16:11:56

文献综述(或调研报告):

永磁电机电磁特性的分析方法主要分为数值方法和解析方法两大类。

有限元法,作为常见的数值方法,是一种有效的分析方法,这种方法能考虑的因素多,计算精度高,还能较方便的体现非线性模型。但是,计算时间长,需要计算资源多是其主要问题。另一方面,工程实践中,我们常需要得到电机各设计参数与其电磁性能之间的关系,以方便我们对其进行设计优化,然而有限元方法通常难以直观的给出上述关系。还需注意的是,有限元计算中,齿槽转矩[8]等运行参数的计算对网格的划分十分敏感,不利于得到稳定的结果。因此,解析法和数值法各有优势,前者能够加深对电机基本物理原理的理解,较适用于最初的设计和优化,而后者则适用于对设计的验证和校正。

无刷直流电机的解析分析方法按空间维数可以分为一维和二维方法,显然后者精度较高;另可根据是否考虑开槽影响分为无槽模型、有槽模型等。还有部分研究考虑到其他因素,如偏心造成的影响和齿尖造成的影响等。

其中一维解析模型的特点是计算简单,常用于传统电机的分析,如可分析异步电机。但是,若不加改动,直接使用一维解析模型,进行永磁电机内磁场分析,则一般会导致较大的误差。相对于传统电机,永磁电机,特别是表贴式电机,拥有较大的有效气隙长度的原因是,永磁体的相对磁导率接近于1,与空气相当。

于是,为了考虑磁通的切向分量和磁极间的漏磁通,学者提出了二维解析模型来分析无槽永磁电机的磁场分布问题[3]。如果假设定、转子铁芯的相对磁导率为无穷大,则二维法的求解较为直观简便,可转为求解永磁体区域的泊松方程和气隙区域的拉普拉斯方程。该方法主要可以分为两类。

一类模型在永磁体表面放置假想的面电流来代替永磁体对磁场的作用。这样做的目的是将永磁体和气隙两个区域简化为一个区域,然后气隙磁场分布就可通过叠加所有面电流的磁场得到。Boules[9]在直角坐标系下计算了永磁电机的气隙电磁场分布,并拓展到了极坐标系中[10]。然而,这类方法通常过于复杂,以至于失去解析法求解的便利。

二维解析模型的另一种思路是,不对永磁体进行变换,直接列出永磁电机内永磁体和气隙区域的方程,结合各区域之间的边界条件求解。在Gu等人提出模型中,利用该方法得到了若干用来设计永磁电机的参数曲线,然而文中方法基于直角坐标系,并假设永磁体的相对磁导率为1[11]。诸自强等使用二维解析模型,采用极坐标系,并考虑到永磁体的相对磁导率,分析了径向磁化电机的空载磁场和电枢反应场[3][4],并进一步扩展到了平行磁化电机磁场分布的求解[7]

为了预测齿槽转矩,必须考虑电机开槽的影响,而这不可避免的增加了解析方法的复杂性。有槽模型的解析方法通常分为两类:一类采用保角变换的方法;另一类采用子域模型的方法。

保角变换的分析方法历史较长,在[12]中,卡特通过对电励磁电机电磁场的分析,得到了表示齿槽效应的系数:卡特系数,但是永磁体使问题变得复杂。在[13]中,永磁体用面电流代替,接着离散化为线电流。然后将这些线电流的位置保角映射到无槽区域中,计算得到无槽区域的磁场分布,最后通过向有槽区域的反向映射,得到最后的磁场分布。从理论上讲,虽然该方法精度很高,却计算复杂,甚至与数值计算方法相当。文献[14]采用类似的方法对表贴式及内嵌式永磁电机进行了分析

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