永磁電機發展迅速，轉子結構變化層出不窮，且對軟件精度和計算速度的要求日益提高，常用的設計方法在處理此類問題時效率較低，已不能滿足用戶需求。例如用傳統磁路法進行永磁同步電機設計時，理論基于假設并引入大量的經驗系數，精度差，擴展性差，支持的轉子種類少等。因此，需要一種全新的設計方法來處理這類問題，新方法應具有良好的擴展性、較高精度以及較快的求解速度，而場路耦合法恰好可以幫助用戶解決這類問題。

場路耦合法，核心求解仍采用磁路法算法，但需利用靜磁場提取一些計算所需關鍵參數，從而在提高計算精度的同時，又能兼顧計算速度；且場路耦合法具有良好的擴展性，能夠適應所有具有二維磁場對稱結構的轉子形式。

算法研究

1、幾種不同算法對比

計算永磁電機有多種方法，常見的算法如磁路法、有限元法、多回路法和場路耦合法等，這幾種算法各有其優缺點。

磁路法計算速度快，常規電機可保證計算精度，但是理論基于假設并引入大量的經驗系數，精度差，擴展性差；有限元法計算精度高，能解決多相問題，通用性強，計及非正弦及飽和，但是計算耗時，操作繁瑣，效率低；多回路法通用性好，能解決多相問題，計及非正弦及飽和，但是無法計及鐵耗影響，多相計算時較耗時；場路耦合法計算精度較高，計算時間較少，可計及飽和，但是暫時無法解決多相，擴展性差。綜合考慮，選取場路耦合法作為解決永磁電機眾多轉子類型、且計算速度快、精度高的解決方法。

2、場路耦合算法實現

EasiMotor永磁同步電機原磁路法求解流程如圖1所示。

圖1 磁路法求解流程

場路耦合法在原來磁路法基礎之上，利用穩態場求解關鍵參數，然后代入磁路法計算流程中，以達到提高計算精度的目的，如圖2所示。

圖2場路耦合算法求解流程

EasiMotor永磁同步電機場路耦合的具體流程如下圖3，適用于永磁同步發電機、調速永磁電機和自起動永磁電機。

圖3場路耦合算法實現

采用了基于場路耦合的電機性快速計算方法之后，計算結果與傳統的磁路法相比具有了更高的計算精度，并修改了鐵耗計算方法，舍棄了經驗系數。

3、場路耦合算法驗證

修改了傳統的磁路法計算方法，采用了基于場路耦合的電機性能快速計算方法之后，EasiMotor支持的永磁轉子結構如下圖所示。

圖4EasiMotor支持的永磁轉子結構

表貼式永磁同步電機案例

選取某表貼式三相永磁同步電動機，線電壓220V，頻率50Hz，額定功率500W，三相星型連接，工作溫度115°，電機截面結構模型如圖5所示。

圖5表貼式電機截面結構模型

傳統磁路法、場路耦合法以及有限元法計算結果對比如表1所示。

表1 案例1結果對比

內埋式永磁同步電機案例

另有內埋式三相永磁同步電動機, 工況同上，電機截面結構模型如圖6所示。

圖6內埋式電機截面結構模型

不同方法計算結果的對比如表2所示。

從以上數據對比中可以看出，場路耦合算法能夠滿足精度需求。

表2案例2結果對比

4、結論

通過對比，永磁同步電機采用了場路耦合算法后，不僅計算精度到達要求，而且具有以下優點：

1）操作簡單易上手：參數設置簡單，上手快速，使用門檻低，無需有限元使用基礎。

2）轉子結構豐富：在保留原有轉子結構基礎之上，新增常用轉子結構，各種復雜磁路結構計算具有精度高的特點，可根據客戶需要，定制相應結構，后續將開放用戶自定義轉子結構功能，實現個性化要求。

3）計算準確速度快：計算結果與有限元結果吻合度高，有限元計算關鍵參數提升計算精度，改進磁路法計算性能提升計算速度。

來源：旺材電機與電控