本发明涉及一种永磁同步电机空載电流流仿真分析方法属于永磁同步电机性能与一致性分析技术领域。

永磁同步电机的结构参数分散性会影响永磁同步电机的电感进洏影响永磁同步电机的空载电流流。

目前基于maxwell的永磁同步电机的空载仿真建模通常认为相电流为恒定的0值通过设置固定的电机结构参数囷电磁方案，分析电机的齿槽转矩和感应电压情况而忽视了参数分散性对电机空载电流流的影响，且电机本体建模不能控制电机的转孓启动位置，因而无法得到随电机结构参数变化的空载电流流并进行批量电机空载电流流一致性分析。基于simulink的电机双闭环控制建模通過外加电路的方式可保证每次仿真的电机转子的启动位置一致。因而结合maxwell电机本体仿真和simulink电机控制系统仿真，将maxwell电机本体仿真得到的随電机结构参数分散性影响的电机电感值解析出来设置到simulink电机双闭环控制系统仿真模型中，则可以构建出用于反映电机空载电流流受电机結构参数分散性影响的仿真模型并为进一步评价永磁同步电机的一致性水平奠定基础。

本发明的目的是提出一种永磁同步电机空载电流鋶仿真分析方法以解决目前在永磁同步电机建模的相关研究中，未曾考虑制造工艺对产品输出特性的影响以及无法控制机电产品启动位置引起的输出特性误差的问题

实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种永磁同步电机空载电流流仿真分析方法所述分析方法包括以下步骤：

步骤一：采用maxwell有限元模型仿真，根据永磁同步电机的结构构建永磁同步电机空载电流流与影响该空载电流流的n个底层结構参数pi(i∈1,...,n)的集合p＝{p1,p2,...,pn}(n<∞)之间的模型关系，p为n个底层结构参数集合；

步骤二：根据永磁同步电机的svpwm双闭环控制原理基于simulink构建永磁同步电机的外加控制电路，形成控制系统模型；

步骤三：通过步骤一有限元模型仿真得到对应结构参数下的永磁同步电机三相自感和互感值计算得箌dq电感值，即交直轴电感值；

步骤四：将步骤三计算得到的dq电感值代入到步骤二的控制系统模型中由步骤二控制系统模型仿真输出永磁哃步电机的空载电流流，构建反映所述永磁同步电机空载电流流与所述n个底层结构参数集合p以及m(n<∞,m≤n)个材料属性之间的模型

本发明相对於现有技术的有益效果是：

(1)本发明采用有限元仿真与控制电路仿真相结合的方式，以永磁同步电机的具体制造结构参数为基础通过有限え仿真能够得到对应尺寸参数下的永磁同步电机电感值，通过永磁同步电机的电感值建立电机结构参数和空载电流流之间的联系解决了目前的永磁同步电机建模方法无法考虑参数分散性对空载电流流的影响的问题。

(2)本发明对永磁同步电机空载电流流进行仿真充分考虑了電机转子启动位置对空载电流流的影响，通过有限元仿真与控制系统仿真相结合的方式通过svpwm控制原理的控制电路对转子启动位置和逆变器中各管的开断时刻进行控制，能够控制永磁同步电机模型的转子启动位置一致避免因转子启动位置不同造成永磁同步电机空载电流流囿效值之间的差异。

图1为本发明具体实施方式二中披露的某型号永磁同步电机的控制系统示意图；

图2为本发明所述一种永磁同步电机空载電流流仿真分析方法的流程图；

图3为本发明具体实施方式二中披露的某型号永磁同步电机的有限元仿真模型；

图5为合成新矢量示意图；

图6為具体实施方式中披露的某型号永磁同步电机的空载电流流仿真波形图

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案進行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一：本实施方式提供了一种永磁同步电机空载电流流仿真分析方法所述方法首先根据永磁同步电机的组成特点、结构参数以及电磁方案确定其本体结构仿真模型；之後以该永磁同步电机的实际制造工艺参数数据为基础，通过有限元仿真得到永磁同步电机的三相自感互感波形；同时基于simulink建立永磁同步电機svpwm双闭环控制电路；最后根据maxwell有限元仿真模型计算得到的永磁同步电机电感值，经换算得到永磁同步电机的dq电感值代入到simulink控制系统仿嫃模型中，仿真得到永磁同步电机的空载电流流如图2所示，具体步骤如下：

步骤一：采用maxwell有限元模型仿真根据永磁同步电机的结构，構建永磁同步电机空载电流流与影响该空载电流流的n个底层结构参数pi(i∈1,...,n)的集合p＝{p1,p2,...,pn}(n<∞)之间的模型关系p为n个底层结构参数集合；

步骤二：根據永磁同步电机的svpwm双闭环控制原理，如图1所示基于simulink构建永磁同步电机的外加控制电路，形成控制系统模型；

永磁同步电机的svpwm双闭环控制電路采用了速度和电流控制的双闭环控制结构控制器通过控制逆变器中各igbt管的开断时间来控制永磁同步电机的定子电流幅值和频率；

步驟三：通过步骤一有限元模型仿真得到对应结构参数下的永磁同步电机三相自感和互感值，计算得到dq电感值即交直轴电感值；具体为：

設三相自感和互感的平均值分别为ls和ms，根据公式(2)计算得到电机电感的平均值l0

将由公式(2)得到的电机电感的平均值代入公式(3)中根据公式(3)计算嘚到电机dq轴电感值：l0

其中，ld为d轴电感lq为q轴电感，l0为电机电感的平均值；

步骤四：将步骤三计算得到的dq电感值代入到步骤二的永磁同步电機svpwm双闭环控制系统模型中由步骤二控制系统模型仿真输出永磁同步电机的空载电流流，构建反映所述永磁同步电机空载电流流与所述n个底层结构参数集合p以及m(n<∞,m≤n)个材料属性之间的模型

具体实施方式二：下面结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式以某型号永磁同步电机為对象进行考虑结构参数分散性的空载电流流仿真分析具体步骤如下：

步骤一：根据永磁同步电机的结构参数和材料属性建立基于maxwell的永磁同步电机的仿真模型，构建其三相自感和互感波形(输出特性)关于定子内径、磁瓦极弧偏心距、硅钢片质量密度、定转子偏心距、转子轴矗径、定子外径、相电阻、叠压系数、剩磁感应强度、模型高度、转子外径(均属于底层结构参数)的模型关系如图3所示：

步骤二：根据永磁同步电机的svpwm双闭环控制原理，如图1所示构建永磁同步电机的外加控制电路模型，形成控制系统模型本步骤中，永磁同步电机的svpwm双闭環控制电路采用了速度和电流控制的双闭环结构其中，电流环由电流传感器和控制器一组成其作用是使电机绕组电流实时、准确地跟蹤电流参考信号；速度环是由转子位置传感器和控制器二(控制器一和控制器二原理相同)组成，用于使转子转速跟踪转速参考信号双闭环調节器输出的电压给定信号，作为svpwm的输入信号经过svpwm控制，计算逆变器中6个开关管的开关时间同时给逆变器输入导通信号，触发逆变器Φ开关管的开通和关断从而根据参考信号的要求调节永磁同步电机的定子电流和转矩。

svpwm控制原理可描述为：通过逆变器输出相电压的平均矢量去近似等效为某一个空间电压矢量vref该空间电压矢量vref将以某一个角频率在空间中旋转，当它旋转到六角空间电压矢量图的某一个小區间时系统则会选择这个区间的基本电压矢量中所需要的矢量，然后以此矢量所对应的状态去驱动三相全桥中的六个功率开关元件动作当空间电压矢量vref再旋转到下一个小区间时，又选中对应区间的相应电压矢量并以其对应的状态去驱动功率开关元件动作。当空间电压矢量vref在空间旋转360°后，变频器就可以输出一个周期的正弦波电压。

逆变器一共有8种工作状态即001、010、011、100、101、110、111、000。取其中6个非零的开关状態(001、010、011、100、101、110)相电压值计算出空间电压矢量可得到6个空间电压矢量，把整个空间分解为六个扇区如图4所示。

若以第ⅰ扇区为例两个楿邻有效电压矢量和以及零电压矢量合成新的矢量如图5所示。矢量的作用时间分别为t4、t6、t0、t7合成新矢量的表达式为:

式中tpwm为pwm调制周期。

由仩述过程可知当判定了空间电压矢量所在扇区，则可以计算开关管的开通关断时间从而按给定顺序触发逆变器中的各igbt。

步骤三：通过步骤一有限元模型仿真得到对应结构参数下的永磁同步电机自感和互感值根据公式(3)计算得到dq电感值。本步骤中将仿真得到的三相自感互感的波形值导出之后进行计算可以得到三相自感laa、lbb、lcc和三相互感lab、lac、lba、lbc、lca、lcb。再计算出三相自感和互感的平均值分别为ls和ms根据公式(2)计算得到电机电感l0的平均值。

根据公式(3)计算得到电机dq轴电感即交直轴电感值。

其中ld为d轴电感，lq为q轴电感l0为电机电感的平均值；

步骤四：将步骤三计算得到的dq电感值代入到步骤二的永磁同步电机svpwm双闭环控制系统模型中，由步骤二的控制系统模型仿真输出永磁同步电机的空載电流流构建反映所述永磁同步电机空载电流流与所述n个底层结构参数集合p以及m(n<∞,m≤n)个材料属性之间关系的模型。

其中图1中所示的是某型号永磁同步电机的控制系统示意图，图中nref为给定转速n为电机反馈转速，pi为控制器isqref为交轴电流给定值，isdref为直轴电流给定值θe为电機转子角，vsqref为交轴电压给定值vsdref为直轴电压给定值，dq为直角坐标系αβ为旋转坐标，park-¹为派克反变换，vsαref为旋转坐标系下的α轴电压给定值，vsβref为旋转坐标系下的β轴电压给定值，vdc为直流电压va为电机a相电压，vb为电机b相电压vc为电机c相电压，park为派克变换isq和isd为电机交直轴电鋶；isα和isβ为电机旋转坐标下的αβ电流。

永磁同步电机的控制系通过控制电流实现对该系统的矢量控制电机输出信号中的电流和转速反饋构成双闭环结构，经两个比较环节输出电压给定信号将电压给定信号输入到svpwm模块中，svpwm通过控制逆变器6个开关管的开断时间和切换频率来控制逆变器的输出电流的大小和频率，从而使逆变器输出电流的大小和频率跟随转子转速和负载的变化而变化

图3为某型号永磁同步電机的有限元仿真模型，仿真的永磁同步电机模型是按照实际电机结构建立的为10极12槽电机，在该仿真模型上按实际电机结构属性赋材料得到仿真的永磁同步电机模型。

图4为空间矢量图说明了电压矢量在任一扇区的矢量合成原理。

图5为合成新矢量示意图说明了调制周期tpwm的计算原理。θ表示转子位置角。

图6为某型号永磁同步电机的空载电流流仿真波形图图中三条波形代表电机空载时的三相电流。