(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211200438.5 (22)申请日 2022.09.29 (71)申请人 江苏大学 地址 212013 江苏省镇江市京口区学府路 301号 (72)发明人 刘国海　柯昊　刘正蒙　陈前　 (74)专利代理 机构 南京智造力知识产权代理有 限公司 32382 专利代理师 胡德水 (51)Int.Cl. H02P 21/00(2016.01) H02P 21/20(2016.01) G06F 30/23(2020.01) (54)发明名称 一种永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方 法 (57)摘要 本发明公开了一种永磁电机高效准确的瞬 时转矩分离方法。 包括： 对于目标永磁电机建立 有限元模型仿真分析后， 求解该负载情况下的齿 槽转矩。 然后使用冻结磁导率技术分别得出仅有 永磁体与电枢电流单独作用的有限元模型， 分别 求解永磁转矩和磁阻转矩。 至此， 永磁电机的转 矩被完全分离成永磁转矩﹑ 磁阻转矩和齿槽转 矩。 该方法通过MATLAB编写成程序控制开源有限 元软件FEMM进行建模分析， 可以灵活地进行后处 理， 一次性高效完成转矩分离。 该方法通过对于 瞬时转矩的完全分离， 可 以分析永磁转矩， 磁阻 转矩和齿槽转矩在不同的负载条件下对于转矩 脉动的影响。 权利要求书2页 说明书4页 附图4页 CN 115459651 A 2022.12.09 CN 115459651 A 1.一种永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方法， 其特 征在于， 包括以下步骤， 步骤1， 对于目标电机建立有限元模型并初始化； 步骤2， 给电机绕组设置负载电流， 求解电机负载下的有限元模型， 并使用虚位移法求 解齿槽转矩； 步骤3， 根据步骤2求解出来的负载有限元模型使用冻结磁导率技术， 在 保留步骤2中所 有铁质材料的磁导率后， 通过将电机的负载电流设置为0， 求解此时的有限元模型， 得出永 磁转矩； 步骤4， 保留步骤2中的所有的铁质材料的磁导率后， 将电机的永磁体的剩磁密度设置 为0， 分别求解只有交轴电流或直轴电流作用后的模型， 可以得出永磁电机交直轴的自感和 互感， 然后再求解与步骤2相同的负载电流作用的模型， 得出考虑交叉互感效应的磁阻转 矩； 步骤5， 结合步骤2 ‑4中得到的永磁转矩， 磁阻转矩和齿槽转矩， 可以分析得出三者的瞬 时波形的叠加就是负载转矩的瞬时波 形， 同时改变负载的电流， 通过分析永磁转矩， 磁阻转 矩和齿槽转矩的瞬时波形， 可以分析它 们对于瞬时转矩脉动的影响。 2.根据权利要求1所述的一种 永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方法， 其特征在于， 步 骤1中的有限元模型的建立是基于开源有限元软件FEMM结合MATLAB软件编程实现的， 初始 化内容包括电机的转速， 仿真步长等相关仿真参数。 3.根据权利要求1所述的一种 永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方法， 其特征在于， 所 述步骤2中的设置负载电流通过MATLAB设立n相电流的表达式完成对电机一个电周期的仿 真， 完成有限元分析后， 计算出整个电机所有 有限元单元的磁场储能， 其计算表达式为： 其中Wm是整个电机的磁场储能， 即所有N个有限元单元的磁场储能之和， Bi是第i个有限 元单元的磁感应强度， Vi是第i个有限元单元的体积， μ0是真空磁导率， μr是有限元单元与真 空磁导率的相对磁导 率。 4.根据权利要求1所述的一种 永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方法， 其特征在于， 所 述步骤2中的齿槽转矩的求 解公式为： 齿槽转矩的求解是磁场储能关于旋转过的机械角度的负导数， 其中Tcog是求解的齿槽 转矩， Wm是电机的磁场储能， θm是指电机旋转过的机械角度， Wm(k)和Wm(k‑1)分别是第k步仿 真步和第k ‑1步仿真步的整个电机磁场储能， n 为电机一个电周期仿真的总步数。 5.根据权利要求1所述的一种 永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方法， 其特征在于： 所 述步骤3中的永磁转矩的求 解公式为： 其中Tpm是求解电机的永磁转矩， m是求解电机的相数， p是求解电机的极对数， ψd(PM)与 ψq(PM)分别是在只有永磁体作用时求解使用冻结磁 导率后的有限元模型的d轴和q轴的磁链，权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115459651 A 2id和iq分别是求 解电机d轴和q轴的电流， θ e 是电机旋转过的电角度。 6.根据权利要求1所述的一种 永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方法， 其特征在于： 所 述的步骤4中， 永磁电机交直轴的自感和互感的求 解的方法是根据以下 方程组求 解： 其中ψd(I)与 ψq(I)分别是在只有电枢电流单独作用时求解使用冻结磁导率后的有限元模 型的d轴和q轴的磁链， Ldd， Lqq分别是d轴自感和q轴自感， Ldq， Lqd是d轴和q轴的互感， 通过依 次将交直轴电流id和iq设为0， 再用clarke ‑parker反变换得到电流带入有限元仿真得出磁 链 ψd(I)与 ψq(I)， 带入上述方程组后得 出自感和互感。 7.根据权利要求1所述的一种 永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方法， 其特征在于： 所 述的4的磁阻转矩求 解公式为： 其中Tr是求解电机的磁阻转矩， Ldd， Lqq分别是d轴自感和q轴自感， Ldq， Lqd是d轴和q轴的 互感， ψd(I)与 ψq(I)分别是在只有与步骤2相同的电枢电流 单独作用时求解使用冻结磁 导率后 的有限元模型的d轴和q轴的磁链。 8.根据权利要求1所述的一种 永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方法， 其特征在于： 所 述的步骤2 ‑4中， 永磁转矩， 磁阻转矩和齿槽转矩的合成转矩与仿 真出来的负载转矩完全重 合。 9.根据权利要求1所述的一种 永磁电机高效准确的瞬时转矩分离方法， 其特征在于： 所 述步骤5中， 改变负载电流幅值可以得出不同负载情况下的永磁电机的永磁转矩， 磁阻转矩 和齿槽转矩波 形之间的幅值相角关系， 可以得出齿槽转矩的相位与永磁转矩和磁阻转矩合 成的电磁转矩始终相反， 有抵消转矩脉动的作用， 随着负载电流的变大， 负载转矩脉动会出 现一段的下降， 这是磁阻转矩的脉动逐渐超过永磁转矩的脉动造成的。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115459651 A 3