基于混合介质网格的表贴式永磁游标电机通用等效磁网络模型
朱旭光，刘正蒙，刘国海，柯昊，杜康康，徐亮
(江苏大学电气信息工程学院)
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.222699
随着能源危机和环境问题的加剧，直接驱动技术在低速大转矩场合具有极强的实用价值和广阔的发展空间。电机转矩密度的大小是衡量驱动系统优劣的一大重要指标，然而，传统低转矩密度永磁电机已经无法满足高性能直驱系统的要求。因此，具有简单机械结构和高转矩密度的永磁游标电机进入了研究者的视野，在直接驱动系统中受到广泛关注。研究人员提出了多种分析方法来分析永磁游标电机的电磁特性。等效磁网络法作为常用的分析方法之一，具有较短的计算时间短和较高的计算精度高，但该方法需要根据电机的特定结构进行网格剖分，这大大增加了建模的难度。此外，对于具有不等齿槽结构的永磁游标电机磁阻网络模型中，定子和气隙的节点连接关系极易因瞬态仿真而发生突变，从而增大仿真误差。
为了快速分析电机性能，降低建模难度，本文提出了一种用于分析表贴式永磁游标电机的通用等效磁网络模型。该模型的关键在于引入混合介质网格，可将调制齿区域沿周向剖分成相同大小的网格单元，实现了对表贴式永磁游标电机调制齿区域的通用建模。同时，此通用等效磁网络模型还确定了定子和气隙的节点连接关系，避免了传统等效磁网络模型因瞬态仿真导致的两者节点不规则连接问题，降低了仿真误差。此外，考虑到定子极靴存在局部磁饱和现象，文中根据其拓扑结构和磁通密度分布，将定子极靴剖分成3个部分，并细分磁饱和区域，进一步提高模型精度。
图1 气隙和调制齿区域等效磁网络模型
为了解决传统等效磁网络模型存在的问题，如图1(b)所示，本文提出了一种针对调制齿区域的通用等效磁网络模型。通过引入图2所示混合介质网格，可将调制齿区域沿周向剖分相同大小的网格单元，实现了对表贴式永磁游标电机调制齿区域的整体建模，进而确定了定子和气隙的节点连接关系，有效降低了仿真误差。
图2 混合介质网格单元
为进一步论证通用等效磁网络模型的可移植性，对图3中不同调制齿结构永磁游标电机采用通用等效磁网络建模。可以发现，当定子拓扑结构发生变化时，调制齿区域均可采用相同数量和相同大小的网格单元进行剖分，避免了重复建模，实现了对不同调制齿结构永磁游标电机的通用建模。
图3 不同调制齿结构永磁游标电机通用等效磁网络模型
本文针对表贴式永磁游标电机提出了一种通用等效磁网络模型，并对此模型的有效性和精确性展开了研究。具体结论如下：
1）通过引入混合介质网格，克服了传统等效磁网络模型中，网格单元不能同时包含铁芯和空气两种介质的障碍，实现了对调制齿区域的整体通用性建模，同时确定了定子和气隙的节点连接关系，有效降低了仿真误差。
2）基于此通用等效磁网络模型求解了表贴式永磁游标电机的电磁性能，并进行实验测试，验证了此模型在分析表贴式永磁游标电机电磁性能时的有效性和精确性。
3）相比于有限元分析模型，此通用等效磁网络模型在具有较高的计算精度，同时节省了大量的计算时间，提高了分析效率。
本文提出的通用等效磁网络模型具有较好的移植性，可推广到不同永磁游标电机的性能分析当中，可为后续高转矩密度永磁游标电机的优化设计提供一定参考。
引文信息
朱旭光，刘正蒙，刘国海，等．基于混合介质网格的表贴式永磁游标电机通用等效磁网络模型[J]．中国电机工程学报，2024，44(5)：2009-2018．
ZHU Xuguang，LIU Zhengmeng，LIU Guohai，et al．General equivalent magnetic network model of surface permanent magnet vernier machine based on hybrid medium mesh[J]．Proceedings of the CSEE，2024，44(5)：2009-2018(in Chinese)．
作者介绍
朱旭光(1999)，男，硕士，研究方向为基于等效磁网络的永磁游标电机磁场建模及电磁性能分析，E-mail：2222107083@stmail.ujs.edu.cn。
刘正蒙(1991)，男，博士，研究方向为直线作动器设计与控制，E-mail：zm@ujs.edu.cn。
责编：张 蕾
审核：李新洁
声明
本文为原创作品，所涉文字及图片版权均属《中国电机工程学报》编辑部所有，根据国家版权局最新规定，纸媒、网站、微博、微信公众号转载、摘编我编辑部的作品，务必请提前联系我编辑部。个人请按本微信原文转发、分享。
