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Pengfei Wu和Yanhua Sun是本文的主要作者，他们来自西安交通大学机械工程学院。该研究发表于《IEEE Transactions on Industrial Electronics》2024年12月刊的第71卷第12期，具体页码为15349-15359。

学术背景

本研究的主要科学领域是电机设计与性能分析，特别是针对双层Delta型内置永磁电机（Interior Permanent Magnet, IPM）的负载性能预测。随着电机设计的发展，转子和定子的多层化、多段化趋势日益明显，这导致了定子和转子铁芯的饱和现象。传统的数值分析方法虽然精确，但计算耗时且无法为电机设计提供清晰的物理洞察。因此，本研究旨在开发一种改进的混合场模型，通过考虑定子和转子铁芯的饱和效应，快速且准确地预测双层Delta型IPM电机的负载性能。

研究流程

1. 简化转子模型
   为了预测双层Delta型IPM转子的磁饱和效应，作者提出了一种简化转子模型。该模型通过计算磁通管的平均截面积，确保简化前后转子磁路的磁动势（MMF）保持不变。具体步骤包括：

   • 计算初始转子磁路的磁通管截面积；
     
   • 通过公式推导简化后的转子内径，确保简化前后磁通管的平均截面积一致。
     

2. 气隙磁场分析
   基于简化转子模型，作者结合气隙解析子域法和等效虚拟电流法，计算了考虑饱和效应的q轴电感。具体步骤包括：

   • 将电机的气隙磁场划分为多个子域，分别求解拉普拉斯方程和泊松方程；
     
   • 通过边界条件建立线性方程组，求解磁矢量势；
     
   • 利用等效虚拟电流法模拟定子和转子的饱和效应，计算饱和条件下的磁通和磁阻。
     

3. d轴电感计算
   d轴电感的计算考虑了饱和效应对d轴磁场的影响，基于q轴电感和初始凸极率（saliency rate）推导得出。具体步骤包括：

   • 计算未饱和条件下的d轴电感；
     
   • 通过饱和条件下的相对气隙长度变化，推导饱和d轴电感。
     

4. 铁损计算
   定子和转子铁芯的铁损通过解析方法计算，包括磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗。具体步骤包括：

   • 计算定子齿和定子轭的磁通密度；
     
   • 计算转子磁通密度；
     
   • 根据磁通密度和材料特性，分别计算定子和转子的铁损。
     

5. 负载性能验证
   通过有限元分析（FEM）和实验验证所提出模型的有效性。具体步骤包括：

   • 在不同电流和转速条件下，计算电机的平均转矩和效率；
     
   • 将计算结果与实验结果进行对比，验证模型的准确性。
     

主要结果

1. 简化转子模型的验证
   通过有限元分析对比了初始转子和简化转子模型的磁链，结果显示两者高度一致，验证了简化模型的可行性。

2. 饱和效应对电感的影响
   随着电流的增加，q轴电感显著下降，而d轴电感变化较小。当电流超过80A时，定子和转子的饱和效应开始显著影响电机的性能。

3. 负载性能分析
   在不同负载条件下，所提出模型的计算结果与实验结果高度一致。特别是在高电流区域，传统未考虑饱和效应的模型与实验结果存在较大偏差，而所提出模型仍能保持较高的准确性。

4. 效率分析
   在不同转速和电流条件下，所提出模型计算的电机效率与实验结果吻合良好，验证了模型在效率预测方面的有效性。

结论

本研究提出了一种改进的混合场模型，能够快速且准确地预测双层Delta型IPM电机的负载性能。通过简化转子模型和等效虚拟电流法，有效考虑了定子和转子的饱和效应。研究结果表明，所提出模型在高电流和高负载条件下仍能保持较高的准确性，为电机设计和性能优化提供了重要的理论支持。

研究亮点

1. 简化转子模型：提出了一种新的转子简化方法，显著降低了计算复杂度，同时保持了较高的精度。
   
2. 混合场模型：结合气隙解析子域法和等效虚拟电流法，首次在IPM电机中同时考虑了定子和转子的饱和效应。
   
3. 高效计算：通过非迭代方法计算d轴电感，显著提高了计算速度，同时保持了较高的准确性。
   
4. 实验验证：通过广泛的实验验证，证明了所提出模型在不同负载条件下的有效性。
   

其他有价值的内容

本研究不仅适用于双层Delta型IPM电机，还可推广到其他复杂转子拓扑的IPM电机中。此外，所提出的转子简化方法为类似电机的设计提供了新的思路。然而，本研究仍存在一些局限性，例如未考虑转矩波动和启动转矩等问题，未来研究可以进一步探讨这些方面的影响。