一种快速计算考虑高频电流谐波的永磁同步电机铁心损耗的方法

本发明属于电机电磁损耗计算应用领域，具体涉及一种快速计算考虑高频电流谐波的永磁同步电机铁心损耗的方法。

背景技术：

1、永磁电机因其高效率和高功率密度而广泛应用于航空航天、电动汽车和数控机床等领域。为了准确预测永磁电机的效率和温度场，有必要准确快速地计算铁心损耗。

2、传统的有限元仿真分析输入正弦电流，预测永磁电机的一些电磁特性，比如扭矩和铁心饱和。然而，脉宽调制电压源逆变器输出的电流不仅包含基波正弦电流，且含有丰富的高频谐波，尽管高频谐波的振幅低于基波分量，但由于其极高的频率，电流谐波带来的额外铁心损耗不容忽视。而场电路耦合时间步进有限元法可以计算高频电流谐波引起的铁心损耗。然而，根据奈奎斯特-香农采样定理，脉宽调制电压源逆变器输出的电流采样频率应该大于影响较大的电流谐波的最高频率的两倍，需要场电路耦合时间步进有限元中的求解步长设置得很小，进而增加求解时间和内存资源占用。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种快速计算考虑高频电流谐波的永磁同步电机铁心损耗的方法，该方法既能够有效地提高求解速度，且结合了改进后的铁心损耗公式，实现永磁同步电机铁心损耗计算的准确性。

2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种快速计算考虑高频电流谐波的永磁同步电机铁心损耗的方法：

4、确定所要分析的永磁电机的工况范围，在工况范围内对电流和转子位置进行规则采样，再进行有限元计算，得到三角单元节点的矢量磁位，由此构建样本矩阵；

5、对所述样本矩阵进行奇异值分解，得到降阶模型的标准正交基；

6、基于降阶模型的标准正交基计算基波电流下不同转子位置的电机铁心单元磁密；

7、根据基波电流下不同转子位置的电机铁心单元磁密得到微分磁导率，然后通过频域有限元法得到高频电流下不同转子位置的电机铁心单元磁密；

8、根据基波电流下不同转子位置的电机铁心单元磁密和高频电流下不同转子位置的电机铁心单元磁密，基于修正的铁心损耗公式，进行铁心损耗的准确计算。

9、进一步的技术方案，所述对所述样本矩阵进行奇异值分解，具体为：

10、xm,n＝um,mλm,nwn,nt

11、其中，xm,n表示m行n列的样本矩阵，m表示有限元三角单元节点数，n表示采样次数；um,m表示左奇异值向量矩阵，λm,n是奇异值矩阵，wn,nt表示右奇异值向量矩阵。

12、更进一步的技术方案，选取左奇异值向量矩阵um,m的前q列向量作为降阶模型的标准正交基。

13、更进一步的技术方案，基于降阶模型的标准正交基计算基波电流下不同转子位置的电机铁心单元磁密，具体为：对右奇异值向量矩阵wn,nt进行插值，得到在降维空间下矢量磁位的解，然后通过左乘降阶模型的标准正交基um,q和奇异值矩阵λq,q，得到原空间下三角单元所有节点矢量磁位的列向量，对所述三角单元所有节点矢量磁位的列向量求旋度，得到基波电流下不同转子位置的电机铁心单元磁密；所述奇异值矩阵λq,q取λm,n的前q行、q列向量。

14、更进一步的技术方案，所述通过频域有限元法得到高频电流下不同转子位置的电机铁心单元磁密，具体为：

15、由微分磁导率和矢量磁位的列向量，确定永磁电机铁心区域的矢量磁位并表示在二维笛卡尔坐标系中，再利用加权余量法求解二维笛卡尔坐标系下矢量磁位的弱形式；

16、将高频电流用复数形式表示并基于所述弱形式，得到复数有限元方程组，然后求解复数有限元法方程组，得到复数矢量磁位；

17、对复数矢量磁位求旋度，得到高频电流下不同转子位置的电机铁心单元磁密。

18、更进一步的技术方案，所述修正的铁心损耗公式为：

19、

20、其中，pcore表示铁心损耗，f表示各阶次电机铁心单元磁密的频率，bm表示各阶次电机铁心单元磁密的幅值，kh、a、b和c是与磁滞损耗项有关的系数，d表示铁心叠片厚度，δ表示趋肤深度，kc是涡流损耗系数，ke是涡流损耗系数。

21、本发明的有益效果为：

22、(1)本发明基于降阶模型的标准正交基计算基波电流下不同转子位置的电机铁心单元磁密，可以快速获取基波电流下不同转子位置的电机铁心单元磁密；

23、(2)本发明在计算高频电流下不同转子位置的电机铁心单元磁密时，采用了基于微分磁导率的频域方法，避免了时域有限元中需要极小的时间步长来辨识高频电流谐波，提升了求解速度；

24、(3)本发明利用改进的铁心损耗公式进行计算，永磁同步电机在面对高频效应，可以更加准确的预测铁心损耗。

技术特征：

1.一种快速计算考虑高频电流谐波的永磁同步电机铁心损耗的方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的快速计算考虑高频电流谐波的永磁同步电机铁心损耗的方法，其特征在于，所述对所述样本矩阵进行奇异值分解，具体为：

3.根据权利要求2所述的快速计算考虑高频电流谐波的永磁同步电机铁心损耗的方法，其特征在于，选取左奇异值向量矩阵um,m的前q列向量作为降阶模型的标准正交基。

4.根据权利要求3所述的快速计算考虑高频电流谐波的永磁同步电机铁心损耗的方法，其特征在于，基于降阶模型的标准正交基计算基波电流下不同转子位置的电机铁心单元磁密，具体为：对右奇异值向量矩阵wn,nt进行插值，得到在降维空间下矢量磁位的解，然后通过左乘降阶模型的标准正交基um,q和奇异值矩阵λq,q，得到原空间下三角单元所有节点矢量磁位的列向量，对所述三角单元所有节点矢量磁位的列向量求旋度，得到基波电流下不同转子位置的电机铁心单元磁密；所述奇异值矩阵λq,q取λm,n的前q行、q列向量。

5.根据权利要求4所述的快速计算考虑高频电流谐波的永磁同步电机铁心损耗的方法，其特征在于，所述通过频域有限元法得到高频电流下不同转子位置的电机铁心单元磁密，具体为：

6.根据权利要求5所述的快速计算考虑高频电流谐波的永磁同步电机铁心损耗的方法，其特征在于，所述修正的铁心损耗公式为：

技术总结本发明公开了一种快速计算考虑高频电流谐波的永磁同步电机铁心损耗的方法，确定所要分析的永磁电机的工况范围，在工况范围内对电流和转子位置进行规则采样，再进行有限元计算，得到三角单元节点的矢量磁位，由此构建样本矩阵；对样本矩阵进行奇异值分解，得到降阶模型的标准正交基；基于降阶模型的标准正交基计算基波电流下不同转子位置的电机铁心单元磁密；根据基波电流下不同转子位置的电机铁心单元磁密得到微分磁导率，然后通过频域有限元法得到高频电流下不同转子位置的电机铁心单元磁密；根据基波电、高频电流下不同转子位置的电机铁心单元磁密，利用修正的铁心损耗公式计算铁心损耗。本发明能够有效地提高求解速度和准确性。技术研发人员：赵文祥,王逸,吉敬华,花为,程明,朱志莹,王新迪受保护的技术使用者：南京工程学院技术研发日：技术公布日：2024/10/10