本发明涉及一种永磁电机永磁体用量计算的方法，属于三相交流永磁同步电动机技术领域。本发明首先根据电机学理论及电机设计手册确定永磁电机基本参数以确保该参数在普通异步电动机方面设计有效可行；根据确定的定子内径与气隙大小确定转子外径D2；根据转子外径、轴径及电机极数确定转子中永磁体可排布的磁通面积；根据电机磁动势平衡定律，忽略铁芯磁阻及漏磁通，计算得到永磁体理论最优使用量；根据永磁体理论最优使用量，考虑谐波漏磁系数、铁芯磁阻系数、气隙漏磁系数、铁芯漏磁系数因素后计算永磁体实际使用量。对比现有技术，本发明能够合理确定永磁电机永磁体用量，提高永磁体利用率，具有在满足电磁性能的基础上降低电机成本的效果。
1.一种永磁同步电动机永磁体用量计算的方法，其特征在于：(1)确定永磁电机基本参数：额定反电势，单位是v、最大气隙与最小气隙，单位是mm、定子铁芯长度，单位是mm、转子铁芯长度，单位是mm、定子内径，单位是mm、轴径，单位是mm；
(2)根据确定的定子内径与气隙大小按照公式(1)确定转子外径D2：D2＝Di1-2Lδ； (1)
(3)根据转子外径、轴径及电机极数确定转子中永磁体可排布的磁通面积，单位是mm；
(4)根据电机磁动势平衡定律，忽略铁芯磁阻及漏磁通，按照公式(2)得到永磁体理论最优使用量，单位是mm3；
(5)根据永磁体理论最优使用量，并考虑谐波漏磁系数、铁芯磁阻系数、气隙漏磁系数、3
铁芯漏磁系数因素按照公式(3)计算永磁体实际使用量，单位是mm：VNM＝VMΔKδΓ∑s； (3)
其中，Δ表示铁芯漏磁系数，Kδ表示气隙漏磁系数，Γ表示铁芯磁阻系数，∑s表示谐波漏磁系数。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电动机永磁体用量计算的方法，其特征在于：对于非均匀气隙，Lδ按照式(4)计算得到：
3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电动机永磁体用量计算的方法，其特征在于：设定转子铁芯导磁面积，与气隙导磁面积一致，忽略漏磁系数，所述Γ根据如下公式计算得到：其中，H1为定子磁场强度，单位是H/m，H2为转子磁场强度，单位是H/m，L1为定子平均磁场有效长度，单位是mm，L2为转子平均磁场有效长度，单位是mm，Hδ为气隙磁场强度，单位是H/m。
4.根据权利要求3所述的一种永磁同步电动机永磁体用量计算的方法，其特征在于：所述Hδ根据气隙平均磁通密度Bδ与气隙的相对磁导率比值除以空气磁导率获取；所述H1根据气隙平均磁通密度Bδ与定子材料的相对磁导率比值除以空气磁导率获取；所述H2根据气隙平均磁通密度Bδ与转子材料的相对磁导率比值除以空气磁导率获取；所述L1与L2根据如下公式计算：其中，D1为定子外径，单位是mm，P为电机极对数，Di2为转子轴径，单位是mm。
5.根据权利要求1所述的一种永磁同步电动机永磁体用量计算的方法，其特征在于：所述Kδ根据如下公式计算：其中，K表示永磁体排布系数；bM为永磁体厚度，单位是mm，能够通过步骤(4)确定的永磁体理论最优使用量与步骤(3)确定的磁通面积的比值得到。
6.根据权利要求5所述的一种永磁同步电动机永磁体用量计算的方法，其特征在于：当所述Kδ小于1时，令Kδ＝1。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种永磁同步电动机永磁体用量计算的方法，其特征在于：所述Δ根据如下公式计算：其中，γ为铁芯饱和系数，BFe为隔磁桥宽度，单位是mm，BM为永磁体垂直于永磁体磁力线与轴向的长度，通过下式计算：其中，LFe为转子铁芯长度，单位是mm，bM为永磁体厚度，单位是mm。
8.根据权利要求7所述的一种永磁同步电动机永磁体用量计算的方法，其特征在于：所述γ通过铁芯磁密饱和时磁密与永磁体磁密基数比值获取。
9.根据权利要求7所述的一种永磁同步电动机永磁体用量计算的方法，其特征在于：所述γ为1.8。
一种永磁电机永磁体用量计算的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种永磁电机永磁体用量计算的方法，属于三相交流永磁同步电动机技术领域。
背景技术
[0002] 目前电机业界的共识是三相交流永磁同步电动机具有效率高且有平坦的效率曲线、功率因数高及效率高等特点而优于三相异步电动机。永磁体用量作为永磁电机的主要考核成本影响永磁电机的设计周期与市场推广。目前存在的永磁体用量计算公式主要考虑为永磁体磁能积最大化状态下永磁体最优使用量，但实际设计中永磁体工作点并不在磁能积最大化状态下，此时的永磁体用量需求度将根据各个设计员的不同设计具有很大的差异性，导致永磁体用量造成很大的浪费，进而造成电机成本的增高与我国稀土资源的浪费。
发明内容
[0003] 本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决永磁同步电动机由于永磁体用量过多导致的资源浪费与成本过高的情况，提出一种永磁同步电动机永磁体用量计算的方法。
[0004] 本发明是通过下述技术方案实现的：
[0005] 一种永磁同步电动机永磁体用量计算的方法，其基本实施过程如下：
[0006] 1.根据电机学理论及电机设计手册确定永磁电机额定反电势(v)、最大气隙(mm)与最小气隙(mm)、定子铁芯长度(mm)、转子铁芯长度(mm)、定子内径(mm)、轴径(mm)等基本参数以确保该参数在普通异步电动机方面设计有效可行；
[0007] 2.根据确定的定子内径与气隙大小按照公式(1)确定转子外径D2：
[0008] D2＝Di1-2Lδ； (1)
[0009] Di1为定子内径(mm)；
[0010] Lδ为平均气隙长度(mm)；
[0011] 作为优选，对于非均匀气隙，Lδ按照公式(2)计算得到；
[0012]
[0013] 3.根据转子外径、轴径及电机极数确定转子中永磁体可排布的磁通面积(mm2)；
[0014] 4.根据电机磁动势平衡定律，忽略铁芯磁阻及漏磁通，按照公式(3)得到永磁体理论最优使用量(mm3)；
[0015]
[0016] 其中气隙平均磁通密度Bδ一般为0.8T；
[0017] E0为永磁电机额定反电势；
[0018] δmax为最大气隙长度；
[0019] δmin为最小气隙长度；
[0020] μδ为空气磁导，其值为4π×10-7H/m；
[0021] (BH)为永磁体最大磁能积(KJ/m3)，根据选用永磁体牌号不同而变化，[0022] 具体数值由永磁体厂家提供；
[0023] 5.根据永磁体理论最优使用量，并考虑谐波漏磁系数、铁芯磁阻系数、气隙漏磁系数、铁芯漏磁系数因素按照公式(4)计算永磁体实际使用量(mm3)：
[0024] VNM＝VMΔKδΓ∑S； (4)
[0025] 其中，Δ表示铁芯漏磁系数，Kδ表示气隙漏磁系数，Γ表示铁芯磁阻系数，∑s表示谐波漏磁系数。
[0026] 至此，完成一种永磁同步电动机永磁体用量计算的方法。
[0027] 作为优选，设定转子铁芯导磁面积，即单极转子外圆面积，与气隙导磁面积，即单极气隙面积，一致，忽略漏磁系数，所述Γ根据如下公式计算得到：
[0028]
[0029] 其中，H1与H2为定子、转子磁场强度(H/m)，L1与L2为定子、转子平均磁场有效长度(mm)，Hδ为气隙磁场强度(H/m)。
[0030] 作为优选，为计算简便，所述Hδ根据气隙平均磁通密度Bδ与气隙的相对磁导率比值除以空气磁导率获取。
[0031] 作为优选，H1根据气隙平均磁通密度Bδ与定子材料的相对磁导率比值除以空气磁导率获取；H2根据气隙平均磁通密度Bδ与转子材料的相对磁导率比值除以空气磁导率获取。
[0032] 作为优选，所述L1与L2根据如下公式计算：
[0033]
[0034]
[0035] 其中，D1为定子外径(mm)，P为电机极对数，Di2为转子轴径(mm)。
[0036] 作为优选，所述Kδ根据如下公式计算：
[0037]
[0038] 其中，K表示永磁体排布系数；bM为永磁体厚度(mm)，可通过步骤4确定的永磁体理论最优使用量与步骤3确定的磁通面积的比值得到。
[0039] 作为优选，当采用并联式时所述K＝2，采用串联式时所述K＝1.5。
[0040] 作为优选，当所述Kδ小于1时，可忽略，即设定Kδ＝1。
[0041] 作为优选，所述Δ根据如下公式计算：
[0042]
[0043] 其中，γ为铁芯饱和系数，BM为永磁体垂直于永磁体磁力线与轴向的长度，即转子径向截面永磁体有效长度，BFe为隔磁桥宽度(mm)，可通过下式计算：
[0044]
[0045] 其中，LFe为转子铁芯长度(mm)；
[0046] 作为优选，所述γ通过铁芯磁密饱和时磁密与永磁体磁密基数比值获取。
[0047] 作为优选，所述γ取值为1.8。
[0048] 有益效果
[0049] 本发明内容，对比已有技术，能够合理确定永磁电机永磁体用量，提高永磁体利用率，具有在满足电磁性能的基础上降低电机成本的效果。
具体实施方式
[0050] 下面对本发明的优选实施方式做详细说明。
[0051] 实施例1
[0052] 一种永磁电机气隙确定的方法，以TYCKK400-4(6kV 400kW)电机为例，其具体步骤包括：
[0053] 1.根据电机学基本理论及电机设计手册确定设定反电势为6400V，最大气隙与最小气隙分别为9mm与6mm，定子铁芯长度为462.5mm，转子铁芯长度为462.5mm，定子与转子磁导率分别为6600与1600，定子内外径分别为670mm与423mm，转子轴径为150mm，使其在普通异步电动机设计方向有效可行。
[0054] 2.根据公式(1)确定转子外径为408mm；此处使用了平均气隙长度参数，本领域技术人员可以根据实际情况赋值；对于永磁电机，本实施例采用了非均匀气隙结构，这种结构下获取该值比较复杂，为简化计算，本领域技术人员可以按照公式(2)进行计算，该公式为发明人根据相关领域知识并结合大量实践获得；
[0055] 3.根据转子外径、轴径及电机极数排布转子中永磁体可排布的磁通面积为133755mm2；
[0056] 4.根据电机磁动势平衡定律，忽略铁芯磁阻及漏磁通，采用N35EH永磁体，根据公式(3)得到永磁体理论最优使用量为82.5kg。
[0057] 5.计算谐波漏磁系数，由于永磁电机常用相带为60°相带，该系数在西安交通大学陈世坤编制的《电机设计》第二版附录8已形成固有参数，可按照该书附录8进行选取，根据本实施例参数获取的谐波漏磁系数为1.0038。
[0058] 6.计算铁芯磁阻系数，由于电机磁位降占电机整体磁动势较大，但铁芯也占有一定的磁位降，为准确得到永磁体的实际使用量，需考虑铁芯磁阻效应带来的磁位降，即考虑铁芯磁阻效应带来的永磁体用量的增加。本领域技术人员可根据已有知识进行计算，但由于定子、转子磁场强度在齿部、轭部时为不等数值且磁路磁力线为一个范围区间，需采用微积分进行计算，计算过程比较复杂，根据大量实践结果，本实施例根据公式(5)计算得到铁芯磁阻系数为1.07。对于公式中使用到的气隙磁场强度Hδ参数，本实施例中根据气隙平均磁通密度Bδ与气隙的相对磁导率比值除以空气磁导率获取；对于定子、转子磁场强度H1、磁场强度H2参数，本实施例中根据气隙平均磁通密度Bδ与定子、转子材料的相对磁导率比值除以空气磁导率获取；对于定子、转子平均磁场有效长度参数，本实施例中根据公式(6)(7)计算获得。当然，本领域计算人员知道，不限于此，结合具体应用场景，可以根据其含义并通过根据定子齿形、转子齿形得到定子齿磁路计算长度、定子轭磁路计算长度、转子齿磁路计算长度、转子轭磁路计算长度，根据气隙主磁通与叠压系数、定子转子齿宽、齿距等参数计算得到定子齿磁密、定子轭磁密、转子齿磁密、转子轭磁密，参照材料性能特性得到定子齿磁场强度、定子轭磁场强度、转子齿磁场强度、转子轭磁场强度，将定子齿磁场强度与定子齿磁路计算长度相乘加定子轭磁场强度与定子轭磁路计算长度相乘加转子齿磁场强度与转子齿磁路计算长度相乘加转子轭磁场强度与转子轭磁路计算长度相乘加代替H1L1+H2L2。
[0059] 7.计算气隙漏磁系数，由于部分永磁体产生的磁通将通过转子端部闭合，未进入定子部分，该部分磁通将不产生力矩，导致永磁体使用量增加，为准确得到永磁体的实际使用量，需考虑该部分漏磁通带来的永磁体用量的增加。本领域技术人员可按照山东大学王秀和编制的《异步起动永磁同步电动机-理论、设计与测试》第二章第八节中转子端部漏磁系数的方法进行计算，由于计算过程比较复杂，根据大量实践结果，本实施例根据公式(8)结合并联磁路结构，计算得到气隙漏磁系数为0.2759，由于气隙漏磁系数小于1，因此可忽略气隙漏磁，即在后面步骤实际使用该参数时按气隙漏磁系数为1进行计算，当气隙漏磁系数小于1时，代表永磁体两极之间宽度大于气隙有效长度，此时永磁体两极之间的磁阻效应大于气隙有效长度的磁阻效应，相当于永磁体端部不存在漏磁情况，因此，该系数需为1保证计算结果准确性，当气隙漏磁系数大于1时，代表永磁体两极之间宽度小于气隙有效长度，此时永磁体两极之间的磁阻效应小于气隙有效长度的磁阻效应，磁力线优先通过永磁体两极之间形成回路，不交链于定子，形成漏磁，该部分磁通将不产生力矩，导致永磁体使用量增加，因此，需乘以实际该系数值来考虑该部分漏磁通带来的永磁体用量的增加。本领域技术人员知道，对于磁路结构采用并联式还是串联式其K值将有所区别，在应用本发明方法时，通过大量实践，得到其最优经验值，为当采用并联式时K＝2，采用串联式时K＝1.5。
[0060] 8.计算铁芯漏磁系数，本领域技术人员可按照山东大学王秀和编制的《异步起动永磁同步电动机-理论、设计与测试》第二章第八节中转子内部漏磁系数的方法进行计算，由于计算过程比较复杂，根据大量实践结果，本实施例根据公式(9)结合隔磁桥宽度为20mm计算得到铁芯漏磁系数为1.08。对于公式中的铁芯饱和系数参数，可以通过铁芯磁密饱和时磁密与永磁体磁密基数比值获取。在实际计算时，为简化计算，也可以直接令γ＝1.8。当然，本领域计算人员知道，不限于此，结合具体应用场景，可以根据其含义并结合硅钢片B-H曲线拐点最大值与永磁体磁密基数(永磁电机一般采用钕铁硼永磁体，钕铁硼永磁体磁密基数一般为1.18T)相比获得。
[0061] 9.根据永磁体理论最优使用量，并考虑谐波漏磁系数、铁芯磁阻系数、气隙漏磁系数、铁芯漏磁系数因素按照公式(4)得到永磁体最优用量为95.86kg。
[0062] 自此，就完成了TYCKK400-4(6kV 400kW)永磁电机永磁体最优用量的计算。
[0063] 目前，公司研制的TYCKK400-4(6kV 400kW)永磁体用量为96.2kg，通过该方案计算永磁体最优使用量为95.86kg，与实际基本相符，存在偏差主要体现在永磁体需要部分镀层材料抵抗氧化、测量误差等不可控因素。本发明方法已经应用于本公司永磁电机的生产，大大减少了永磁体的用量，降低了企业生产成本，提高了企业的市场竞争力。
[0064] 为了说明本发明的内容及实施方式，本说明书给出了具体实施例。在实施例中引入细节的目的不是限制权利要求书的范围，而是帮助理解本发明所述内容。本领域的技术人员应理解：在不脱离本发明及其所附权利要求的精神和范围内，对最佳实施例步骤的各种修改、变化或替换都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容。
