基于场路耦合的电机性能快速计算方法的实现

永磁电机发展迅速，转子结构变化层出不穷，且对软件精度和计算速度的要求日益提高，常用的设计方法在处理此类问题时效率较低，已不能满足用户需求。例如用传统磁路法进行永磁同步电机设计时，理论基于假设并引入大量的经验系数，精度差，扩展性差，支持的转子种类少等。因此，需要一种全新的设计方法来处理这类问题，新方法应具有良好的扩展性、较高精度以及较快的求解速度，而场路耦合法恰好可以帮助用户解决这类问题。

场路耦合法，核心求解仍采用磁路法算法，但需利用静磁场提取一些计算所需关键参数，从而在提高计算精度的同时，又能兼顾计算速度；且场路耦合法具有良好的扩展性，能够适应所有具有二维磁场对称结构的转子形式。

算法研究

1、几种不同算法对比

计算永磁电机有多种方法，常见的算法如磁路法、有限元法、多回路法和场路耦合法等，这几种算法各有其优缺点。

磁路法计算速度快，常规电机可保证计算精度，但是理论基于假设并引入大量的经验系数，精度差，扩展性差；有限元法计算精度高，能解决多相问题，通用性强，计及非正弦及饱和，但是计算耗时，操作繁琐，效率低；多回路法通用性好，能解决多相问题，计及非正弦及饱和，但是无法计及铁耗影响，多相计算时较耗时；场路耦合法计算精度较高，计算时间较少，可计及饱和，但是暂时无法解决多相，扩展性差。综合考虑，选取场路耦合法作为解决永磁电机众多转子类型、且计算速度快、精度高的解决方法。

2、场路耦合算法实现

EasiMotor永磁同步电机原磁路法求解流程如图1所示。

图1 磁路法求解流程

场路耦合法在原来磁路法基础之上，利用稳态场求解关键参数，然后代入磁路法计算流程中，以达到提高计算精度的目的，如图2所示。

图2场路耦合算法求解流程

EasiMotor永磁同步电机场路耦合的具体流程如下图3，适用于永磁同步发电机、调速永磁电机和自起动永磁电机。

图3场路耦合算法实现

采用了基于场路耦合的电机性快速计算方法之后，计算结果与传统的磁路法相比具有了更高的计算精度，并修改了铁耗计算方法，舍弃了经验系数。

3、场路耦合算法验证

修改了传统的磁路法计算方法，采用了基于场路耦合的电机性能快速计算方法之后，EasiMotor支持的永磁转子结构如下图所示。

图4EasiMotor支持的永磁转子结构

表贴式永磁同步电机案例

选取某表贴式三相永磁同步电动机，线电压220V，频率50Hz，额定功率500W，三相星型连接，工作温度115°，电机截面结构模型如图5所示。

图5表贴式电机截面结构模型

传统磁路法、场路耦合法以及有限元法计算结果对比如表1所示。

表1 案例1结果对比

内埋式永磁同步电机案例

另有内埋式三相永磁同步电动机, 工况同上，电机截面结构模型如图6所示。

图6内埋式电机截面结构模型

不同方法计算结果的对比如表2所示。

从以上数据对比中可以看出，场路耦合算法能够满足精度需求。

表2案例2结果对比

4、结论

通过对比，永磁同步电机采用了场路耦合算法后，不仅计算精度到达要求，而且具有以下优点：

1）操作简单易上手：参数设置简单，上手快速，使用门槛低，无需有限元使用基础。

2）转子结构丰富：在保留原有转子结构基础之上，新增常用转子结构，各种复杂磁路结构计算具有精度高的特点，可根据客户需要，定制相应结构，后续将开放用户自定义转子结构功能，实现个性化要求。

3）计算准确速度快：计算结果与有限元结果吻合度高，有限元计算关键参数提升计算精度，改进磁路法计算性能提升计算速度。

来源：旺材电机与电控