(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 202210910864.1 (22)申请日 2022.07.29 (71)申请人 哈尔滨工业大 学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西 大直街92号 (72)发明人 邹继斌　徐永向　刘成思　 (74)专利代理 机构 哈尔滨龙 科专利代理有限公 司 23206 专利代理师 李智慧 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) (54)发明名称 双三相电机电磁-温度-压强耦合高精度数 学模型 (57)摘要 本发明公开了一种双三相电机电磁 ‑温度‑ 压强耦合高精度数学模型， 所述模 型既考虑了电 机运行产生的损耗导致的电机温升， 又考虑了电 机温升造成的电机电磁特性的变化， 还可以计及 外界环境压强对电机特性造成的影 响， 能够综合 考虑电机电磁 ‑温度‑压强耦合的效果， 实现高精 度双三相永磁同步电机数学模型的建立。 相比于 现有的数学模型， 该模型能够考虑磁饱和、 电磁 耦合、 谐波磁场以及转子位置的影响， 具备更高 的精度和保真度， 且考虑了电机损耗导致的温 升、 电机温升导致的电磁性能变化以及环境压强 对电机性能的影 响， 能够更高精度地模拟现实条 件下的电机运行， 具备更高的控制精度， 也为太 空、 深海、 深地等极端环境下的电机运行性能计 算提供了方法。 权利要求书3页 说明书9页 附图5页 CN 115130355 A 2022.09.30 CN 115130355 A 1.一种双三相电机电磁 ‑温度‑压强耦合高精度数学模型， 其特征在于所述模型按照下 述步骤进行建模： 步骤一、 对目标双三相永磁同步电机进行有限元建模， 对第一套三相绕组A1B1C1施加 多组d轴电流id1和多组q轴电流iq1， 对第二套三相绕组A2B2C2施加id2＝0、 iq2＝0的电流， 进 行电磁场有限元计算， 求 解磁链和转矩计算结果； 步骤二、 将id1、 iq1以及转子电角度位置θ作为自变量， 将计算后得到的第一套三相绕组 A1B1C1中的d轴磁链 ψd1、 q轴磁链 ψq1以及第二套 三相绕组A2B 2C2中的d轴磁链增量Δ ψd2、 q轴 磁链增量Δ ψq2作为因变量， 建立4组磁链和电流之间的关系 ψd1(id1,iq1, θ )、 ψq1(id1,iq1, θ )、 Δ ψd2(id1,iq1, θ )、 Δ ψq2(id1,iq1, θ )； 步骤三、 根据双三相电机结构的对称性和周期性， 对ψd1(id1,iq1, θ )、 ψq1(id1,iq1, θ )、 Δ ψd2(id1,iq1, θ )、 Δψq2(id1,iq1, θ )进行移相30 °， 得到ψd2(id2,iq2, θ )、 ψq2(id2,iq2, θ )、 Δψd1 (id2,iq2, θ )、 Δ ψq1(id2,iq2, θ )， 即： ψd2(id2,iq2, θ )＝ ψd1(id1,iq1, θ‑30°)； ψq2(id2,iq2, θ )＝ ψq1(id1,iq1, θ‑30°)； Δ ψd1(id2,iq2, θ )＝Δ ψd2(id1,iq1, θ‑30°)； Δ ψq1(id2,iq2, θ )＝Δ ψq2(id1,iq1, θ‑30°)； 双三相运行时， 第一套三相绕组A1B1C1的d轴磁链ψd1s与q轴磁链ψq1s、 第二套三相绕组 A2B2C2的d轴磁链 ψd2s与q轴磁链 ψq2s为： ψd1s＝ ψd1(id1,iq1, θ )+Δ ψd1(id2,iq2, θ )； ψq1s＝ ψq1(id1,iq1, θ )+Δ ψq1(id2,iq2, θ )； ψd2s＝ ψd2(id2,iq2, θ )+Δ ψd2(id1,iq1, θ )； ψq2s＝ ψq2(id2,iq2, θ )+Δ ψq2(id1,iq1, θ )； 步骤四、 对 ψd1(id1,iq1, θ )、 ψq1(id1,iq1, θ )进行求反， 得到电流id1、 iq1与磁链 ψd1、 ψq1和转 子位置θ之间的关系id1( ψd1, ψq1, θ )和iq1( ψd1, ψq1, θ )； 根据双三相电机结构的对称性和周期 性， 对id1( ψd1, ψq1, θ )和iq1( ψd1, ψq1, θ )进行移相3 0°， 得到id2( ψd2, ψq2, θ )和iq2( ψd2, ψq2, θ )， 即： id2( ψd2, ψq2, θ )＝id1( ψd1, ψq1, θ‑30°)； iq2( ψd2, ψq2, θ )＝iq1( ψd1, ψq1, θ‑30°)； 步骤五、 将id1、 iq1以及转子电角度位置θ作为自变量， 将计算得到的转矩作为因变量， 得 到转矩与电流和转子电角度位置的关系Te1(id1,iq1, θ )， 根据双三相电机结构的对称性和周 期性， 第二套三相绕组A 2B2C2工作时所产生的转矩由Te1(id1,iq1, θ )移相3 0°得到， 即： Te2(id2,iq2, θ )＝Te1(id1,iq1, θ‑30°)； 其中， Te1与Te2均为单套绕组运行时的转矩； 当电机以双三相状态运行时， 其总转矩为： Ts＝1.5p[ ψd1siq1‑ψq1sid1+ψd2siq2‑ψq2sid2] ＝Te1+Te2+1.5p[Δ ψd1iq1‑Δ ψq1id1+Δ ψd2iq2‑Δ ψq2id2]； 其中， p为永磁 体的极对数； 根据转矩， 计算电机电角速度ωe： ωe＝ ∫[(Ts‑TL)/J]dt； 其中， TL为电机的负载转矩， J为电机的转动惯量；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115130355 A 2根据电机电角速度ωe， 计算电机转子位置电角度 θ： θ ＝ ∫ωe dt； 步骤六、 根据电机的输入电压ud1、 uq1、 ud2、 uq2计算磁链： ψd1s＝ ∫(ud1‑id1R+ωeψq1s)dt； ψq1s＝ ∫(uq1‑iq1R‑ωeψd1s)dt； ψd2s＝ ∫(ud2‑id2R+ωeψq2s)dt； ψq2s＝ ∫(uq2‑iq2R‑ωeψd2s)dt； 其中， R为定 子绕组阻值， ωe为电机的电角速度； 至此完成双三相永磁同步电机电磁特性计算模型的建立； 步骤七、 使用电机有限元进行单个三相绕组A1B 1C1多个工况下的定子铁心损耗Pcore和 永磁体涡流损 耗Peddy的计算， 通过计算多个工况下的定子铁心损耗和永磁体涡流损 耗， 建 立定子铁心损耗Pcore和永磁体涡流损耗Peddy与ωe、 id1、 iq1之间的关系Pcore(ωe,id1,iq1)和 Peddy(ωe,id1,iq1)； 步骤八、 使用铜损、 定子铁心损耗和永磁体涡流损耗作为热源， 进行若干个工况下的电 机温升计算， 提取所关注的绕组温升Tcoil和永磁体温升Tmag， 对于所关注的Tcoil和Tmag， 使用 叠加原理将其拆解为铜损、 定子铁心损耗和永磁体涡 流损耗造成的温升， 使用一个2*3的传 递函数矩阵表示由铜损、 定 子铁心损耗和永磁 体涡流损耗所造成的绕组和永磁 体2个温升： 步骤九、 使用线性系统辨识对2*3传递函数矩阵中的传递函数进行辨识， 从低阶开始进 行辨识， 逐步增加 零极点个数， 直到使用传递函数计算的结果与有限元计算的结果之间的 拟合优度满足要求， 使用该2*3传递函数矩阵代替温度场有限元进行电机绕组温升Tcoil和 永磁体温升Tmag的快速计算； 步骤十、 受到温度影响的主要参数为永磁体剩磁Br和电阻阻值Rs， 且均随温度进行线性 变化： Bs1＝Bs0[1+β(T1‑T0)]； Rs1＝Rs0[1+α(T1‑T0)]； 其中， α和β 分别为电阻阻值和剩磁的温度系数， T0和T1为两个不同的温度， Bs0和Rs0分别 为温度T0下的剩磁和阻值， Bs1和Rs1分别为温度T1下的剩磁和阻值； 在两个温度T0和T1下进行电机特性的计算， 即可得到两组电机电磁特性， 由于温度对阻 值和剩磁造成的是线性影响， 因此其他相关特性也随温度呈 现线性变化， 则可以使用T0和T1 下的电磁特性进行温度梯度上的斜 率求解：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115130355 A 3