權(quán)利要求書： 1.一種剛?cè)?機電耦合的風(fēng)機齒輪-發(fā)電機動力學(xué)模型建模方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一，采用三維設(shè)計軟件構(gòu)建齒輪箱、發(fā)電機的實體結(jié)構(gòu)模型；

步驟二，利用有限元分析軟件對實體結(jié)構(gòu)模型進行縮聚，獲取箱體結(jié)構(gòu)的縮聚剛度矩陣與質(zhì)量矩陣，形成箱體單元；結(jié)合齒輪箱各軸系實際尺寸，采用Timoshenko梁單元法建立柔性軸模型，形成軸單元；采用有限元分析軟件，計算并獲取軸承的支撐剛度，形成軸承支撐單元；利用牛頓第二定律構(gòu)建齒輪系統(tǒng)的動力學(xué)方程，考慮內(nèi)部激勵特性，形成嚙合單元；

步驟三，基于步驟二各子單元的剛度質(zhì)量矩陣，結(jié)合系統(tǒng)各子構(gòu)件的連接耦合方式，組裝成為考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈夏Ｐ停?br>
步驟四，基于有限元分析軟件，對永磁同步發(fā)電機工作部件材料進行設(shè)定，考慮永磁材料的磁飽和特性，進行空間氣隙磁密、漏磁特性以及動態(tài)特性分析，獲取發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩和電磁徑向、切向力，形成外載荷向量單元；

步驟五，根據(jù)步驟三中得到齒輪系統(tǒng)與發(fā)電機系統(tǒng)的相互耦合作用關(guān)系，結(jié)合步驟四電機轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的電磁徑向力波與電磁轉(zhuǎn)矩，通過磁-電和磁-機耦合項，建立機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)之間的聯(lián)系，從而得到電機驅(qū)動的傳動系統(tǒng)的機電耦合模型，建立齒輪-永磁同步發(fā)電機多因素下的機-電耦合模型。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的剛?cè)?機電耦合的風(fēng)機齒輪-發(fā)電機動力學(xué)模型建模方法，其特征在于：步驟二考慮了箱體結(jié)構(gòu)特性、軸系系統(tǒng)的柔性、齒輪時變嚙合剛度和誤差，機械系統(tǒng)沿著軸線和繞軸線方向的運動，{x，y，z，θx，θy，θz}為廣義坐標，步驟三利用拉格朗日方程建立齒輪系統(tǒng)-電機的機械動力學(xué)模型為：式中，M為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣，Km與Cm分別為嚙合剛度與嚙合阻尼矩陣，Kb與Cb分別為支撐剛度與支撐阻尼矩陣，Kt與Ct分別為扭轉(zhuǎn)剛度與扭轉(zhuǎn)阻尼矩陣，KΩ、KA分別為向心剛度矩陣和切向剛度矩陣，CG為陀螺矩陣，θi為構(gòu)件i的轉(zhuǎn)角，F(xiàn)為考慮電磁轉(zhuǎn)矩與電磁徑向力的外部力矩陣。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的剛?cè)?機電耦合的風(fēng)機齒輪-發(fā)電機動力學(xué)模型建模方法，其特征在于：步驟四中，電磁力的表達公式為：F(t,θ)＝F0+∑∑Fuvcos(upwrt+vpθ+θ01)

式中，F(xiàn)0是直流分量，F(xiàn)uv為電磁力各次諧波的幅值，u為時間諧波階數(shù)，v是空間諧波階數(shù)，p為極對數(shù)，vp為徑向力的模數(shù)，表示徑向力在定子一周空間上分布著幾個周期的正弦波，wr為電機機械角速度，θ為轉(zhuǎn)子位置角度。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的剛?cè)?機電耦合的風(fēng)機齒輪-發(fā)電機動力學(xué)模型建模方法，其特征在于：步驟四中，根據(jù)永磁同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)特征，考慮了轉(zhuǎn)子磁場空間諧波、磁路飽和、交叉飽和以及交叉耦合效應(yīng)因素，利用麥克斯韋應(yīng)力張量法，可以求出定子鐵心內(nèi)表面單位面積上的徑向電磁力和切向電磁力，如下所示：式中，F(xiàn)r和Ft分別為作用在鐵磁物質(zhì)表面上的徑向和切向麥克斯韋電磁力，μ為鐵磁物-7

質(zhì)交界面上一側(cè)介質(zhì)的磁導(dǎo)率，為4π×10 H/m；Br和Bt分別為一側(cè)介質(zhì)中的徑向、切向磁通密度。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的剛?cè)?機電耦合的風(fēng)機齒輪-發(fā)電機動力學(xué)模型建模方法，其特征在于：步驟五建立的齒輪-永磁同步發(fā)電機多因素下的機-電耦合模型如下：式中，Te為永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)矩，R為電機相電阻，I為電機相電流，Ld、Lq分別為d、q軸電感，id、iq分別為d、q軸電流。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的剛?cè)?機電耦合的風(fēng)機齒輪-發(fā)電機動力學(xué)模型建模方法，其特征在于：步驟二中，所述內(nèi)部激勵特性包括時變嚙合剛度，誤差以及內(nèi)外嚙合相位。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的剛?cè)?機電耦合的風(fēng)機齒輪-發(fā)電機動力學(xué)模型建模方法，其特征在于：步驟四中，所述永磁同步發(fā)電機工作部件包括磁鋼、定子、轉(zhuǎn)子和線圈。

說明書： 剛?cè)?機電耦合的風(fēng)機齒輪-發(fā)電機動力學(xué)模型建模方法技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明涉屬于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種剛?cè)?機電耦合的風(fēng)機齒輪-發(fā)電機動力學(xué)模型建模方法。背景技術(shù)[0002] 國際社會日漸意識到能源安全、環(huán)境污染和全球氣候變化等問題的嚴重性，紛紛采取措施試圖遏制這些問題的惡化，措施之一就是扶持新能源的發(fā)展，據(jù)目前的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，風(fēng)電已成為繼煤電、水電之后的第三大能源。[0003] 風(fēng)力發(fā)電機組由葉片、輪轂、主傳動鏈、發(fā)電機等組成。其中主傳動鏈起到動力傳輸作用，將葉片吸收風(fēng)能而產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)運動，進行增速至發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速，以供發(fā)電機能正常發(fā)電。[0004] 風(fēng)力發(fā)電機組安裝在高山、荒郊野外或海上，其運行環(huán)境惡劣，不僅引入隨機風(fēng)載作用，使機組運行工況復(fù)雜多變發(fā)生驅(qū)動力與轉(zhuǎn)速的突變，產(chǎn)生沖擊作用；同時，還受到發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩波動、電磁徑向力波的內(nèi)激勵影響。多階次的發(fā)電機轉(zhuǎn)矩脈動和電磁力脈動不僅加劇齒輪箱的振動，且會在多個轉(zhuǎn)速區(qū)域達到齒輪箱的固有頻率從而產(chǎn)生共振。由于風(fēng)機長時間處于野外無人值守，所以保證風(fēng)機齒輪箱在負載工況下長期并可靠地運行非常重要。[0005] 由于風(fēng)力發(fā)電機齒輪傳動系統(tǒng)的實驗、維修成本較高，因此建立一種剛?cè)?機電耦合的風(fēng)機齒輪-發(fā)電機傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型，結(jié)合仿真分析，對于高效實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機齒輪-發(fā)電機系統(tǒng)的集成設(shè)計優(yōu)化具有重要意義。發(fā)明內(nèi)容[0006] 為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種剛?cè)?機電耦合的風(fēng)機齒輪-發(fā)電機動力學(xué)模型建模方法，能夠快速地對系統(tǒng)中存在的機電耦合現(xiàn)象進行解析表征，解釋齒輪系統(tǒng)與發(fā)電機系統(tǒng)相互作用影響規(guī)律，同時為風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)進行集成設(shè)計奠定基礎(chǔ)。[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：[0008] 一種剛?cè)?機電耦合的風(fēng)機齒輪-發(fā)電機動力學(xué)模型建模方法，包括以下步驟：[0009] 步驟一，采用三維設(shè)計軟件構(gòu)建齒輪箱、發(fā)電機的實體結(jié)構(gòu)模型；[0010] 步驟二，利用有限元分析軟件對實體結(jié)構(gòu)模型進行縮聚，獲取箱體結(jié)構(gòu)的縮聚剛度矩陣與質(zhì)量矩陣，形成箱體單元；結(jié)合齒輪箱各軸系實際尺寸，采用Timoshenko梁單元法建立柔性軸模型，形成軸單元；采用有限元分析軟件，計算并獲取軸承的支撐剛度，形成軸承支撐單元；利用牛頓第二定律構(gòu)建齒輪系統(tǒng)的動力學(xué)方程，考慮內(nèi)部激勵特性，形成嚙合單元；[0011] 步驟三，基于步驟二各子單元的剛度質(zhì)量矩陣，結(jié)合系統(tǒng)各子構(gòu)件的連接耦合方式，組裝成為考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?；[0012] 步驟四，基于有限元分析軟件，對永磁同步發(fā)電機工作部件材料進行設(shè)定，考慮永磁材料的磁飽和特性，進行空間氣隙磁密、漏磁特性以及動態(tài)特性分析，獲取發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩和電磁徑向、切向力，形成外載荷向量單元；[0013] 步驟五，根據(jù)步驟三中得到齒輪系統(tǒng)與發(fā)電機系統(tǒng)的相互耦合作用關(guān)系，結(jié)合步驟四電機轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的電磁徑向力波與電磁轉(zhuǎn)矩，通過磁-電和磁-機耦合項，建立機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)之間的聯(lián)系，從而得到電機驅(qū)動的傳動系統(tǒng)的機電耦合模型，建立齒輪-永磁同步發(fā)電機多因素下的機-電耦合模型。[0014] 依據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，采用MATLAB/Simulink數(shù)值計算軟件分別搭建三相永磁同步電機和多級齒輪系統(tǒng)的仿真模型，將電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速作為公共變量在兩者之間實時傳遞數(shù)據(jù)。該方法是基于模態(tài)縮聚法的剛?cè)狁詈辖７椒?，并與考慮了永磁同步發(fā)電機的內(nèi)部激勵特性的發(fā)電機模型耦合建立的一種齒輪-發(fā)電機的剛?cè)?機電耦合仿真分析模型，能夠?qū)ο到y(tǒng)中存在的機電耦合現(xiàn)象進行解析表征，解釋齒輪系統(tǒng)與發(fā)電機系統(tǒng)相互作用影響規(guī)律，為風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)集成設(shè)計提供理論支持。[0015] 進一步地，步驟二考慮了箱體結(jié)構(gòu)特性、軸系系統(tǒng)的柔性、齒輪時變嚙合剛度和誤差等非線性激勵，機械系統(tǒng)沿著軸線和繞軸線方向的運動，{x，y，z，θx，θy，θz}為廣義坐標，步驟三利用拉格朗日方程建立齒輪系統(tǒng)-電機的機械動力學(xué)模型為：[0016][0017] 式中，M為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣，Km與Cm分別為嚙合剛度與嚙合阻尼矩陣，Kb與Cb分別為支撐剛度與支撐阻尼矩陣，Kt與Ct分別為扭轉(zhuǎn)剛度與扭轉(zhuǎn)阻尼矩陣，KΩ、KA分別為向心剛度矩陣和切向剛度矩陣，CG為陀螺矩陣，θi為構(gòu)件i的轉(zhuǎn)角。F為考慮電磁轉(zhuǎn)矩與電磁徑向力的外部力矩陣。[0018] 由于電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，定子內(nèi)徑表面上的電磁力也隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，因此該電磁力是隨時間和空間發(fā)生變化的，正弦波供電時永磁同步電機的定子繞組中存在正弦電流，定子電流感應(yīng)產(chǎn)生電樞繞組磁場，使氣隙磁場發(fā)生了變化。電磁力由電機氣隙磁場產(chǎn)生，并作用于定子鐵心內(nèi)表面單位面積上。步驟四中，電磁力的表達公式為：[0019] F(t,θ)＝F0+∑∑Fuvcos(upwrt+vpθ+θ01)[0020] 式中，F(xiàn)0是直流分量，F(xiàn)uv為電磁力各次諧波的幅值，u為時間諧波階數(shù)，v是空間諧波階數(shù)，p為極對數(shù)，vp為徑向力的模數(shù)，表示徑向力在定子一周空間上分布著幾個周期的正弦波，wr為電機機械角速度，θ為轉(zhuǎn)子位置角度。[0021] 步驟四中，根據(jù)永磁同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)特征，考慮了轉(zhuǎn)子磁場空間諧波、磁路飽和、交叉飽和以及交叉耦合效應(yīng)因素，利用麥克斯韋應(yīng)力張量法，可以求出定子鐵心內(nèi)表面單位面積上的徑向電磁力和切向電磁力，如下所示：[0022][0023] 式中，F(xiàn)r和Ft分別為作用在鐵磁物質(zhì)表面上的徑向和切向麥克斯韋電磁力，μ為鐵磁物質(zhì)交界面上一側(cè)介質(zhì)的磁導(dǎo)率，為4π×10-7H/m；Br和Bt分別為一側(cè)介質(zhì)中的徑向、切向磁通密度。[0024] 從能量角度來看，機電能量轉(zhuǎn)換過程是以氣隙磁場為耦合場，從機械能轉(zhuǎn)換為磁能，再從磁能轉(zhuǎn)換為電能的過程。其中，感應(yīng)電動勢是磁場與電氣系統(tǒng)之間的耦合項，電磁轉(zhuǎn)矩Te則是磁場與機械系統(tǒng)之間的耦合項，如圖所示。結(jié)合步驟四電機轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的電磁徑向力波與電磁轉(zhuǎn)矩，通過磁-電和磁-機耦合項，建立機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)之間的聯(lián)系，從而得到電機驅(qū)動的傳動系統(tǒng)的機電耦合模型，建立齒輪-永磁同步發(fā)電機多因素下的機-電耦合模型如下：[0025][0026] 式中，Te為永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)矩，R為電機相電阻，I為電機相電流，Ld、Lq分別為d、q軸電感，id、iq分別為d、q軸電流。[0027] 作為優(yōu)選，步驟二中，所述內(nèi)部激勵特性包括時變嚙合剛度，誤差以及內(nèi)外嚙合相位。[0028] 作為優(yōu)選，步驟四中，所述永磁同步發(fā)電機工作部件包括磁鋼、定子、轉(zhuǎn)子和線圈。[0029] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：[0030] 采用以上技術(shù)方案的剛?cè)?機電耦合的風(fēng)機齒輪-發(fā)電機動力學(xué)模型建模方法，能夠快速的對系統(tǒng)中存在的機電耦合現(xiàn)象進行解析表征，解釋齒輪系統(tǒng)與發(fā)電機系統(tǒng)相互作用影響規(guī)律，同時為風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)進行集成設(shè)計優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。附圖說明[0031] 圖1為本發(fā)明建模方法的流程圖；[0032] 圖2為本發(fā)明所搭建的齒輪箱箱體模態(tài)縮聚模型示意圖；[0033] 圖3為本發(fā)明所搭建的發(fā)電機箱體模態(tài)縮聚模型示意圖；[0034] 圖4本發(fā)明所涉及的Timoshenko梁單元模型示意圖；[0035] 圖5a為滾動軸承結(jié)構(gòu)簡圖；[0036] 圖5b為軸-軸承系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；[0037] 圖6為齒輪嚙合的集中參數(shù)模型示意圖；[0038] 圖7為本發(fā)明方法包含各子單元類型的流程圖；[0039] 圖8為根據(jù)本發(fā)明方法計算得到的系統(tǒng)整體剛度矩陣結(jié)構(gòu)圖；[0040] 圖9a為根據(jù)本發(fā)明方法計算得到的電機系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩和空間氣隙徑向電磁磁密圖；[0041] 圖9b為根據(jù)本發(fā)明方法計算得到的電機系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩和空間氣隙切向電磁磁密圖[0042] 圖10為根據(jù)本發(fā)明方法計算得到的電磁徑向力雷達分布圖。具體實施方式[0043] 以下結(jié)合示例而非限制性的實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明。[0044] 本發(fā)明是基于剛?cè)?機電耦合的風(fēng)力發(fā)電機傳動系統(tǒng)齒輪-發(fā)電機的耦合動力學(xué)模型建模方法，綜合考慮了箱體的結(jié)構(gòu)特性，齒輪系統(tǒng)的內(nèi)部激勵、發(fā)電機系統(tǒng)的電磁特性以及齒輪-發(fā)電機兩者間的相互耦合作用關(guān)系，建立了剛?cè)?機電耦合模型，如圖1和圖7所示，其具體步驟如下：[0045] 步驟一，采用三維設(shè)計軟件構(gòu)建齒輪箱、發(fā)電機的實體結(jié)構(gòu)模型，如圖2；[0046] 步驟二，利用ansys有限元分析軟件的MPC方法對實體結(jié)構(gòu)模型進行縮聚，獲取箱體結(jié)構(gòu)的縮聚剛度矩陣與質(zhì)量矩陣，形成箱體單元；使用MPC方法(廣義多點約束)可以實現(xiàn)從主節(jié)點到縮聚點的進一步模型縮減，進而得到箱體的縮聚模型。模型縮減的整個過程及各類節(jié)點的相互關(guān)系如圖2所示，縮聚點即模型縮聚關(guān)心的位置點，目的即獲取縮聚點的質(zhì)量和剛度矩陣，mpc方法是在界面節(jié)點(即主節(jié)點)與縮聚點之間建立柔性耦合關(guān)系，約束方程如以下公式所示：[0047][0048] 式中，Ui為界面節(jié)點i的自由度卷標，ωi為節(jié)點i的自由度加權(quán)系數(shù)，N為MPC耦合中參與的界面節(jié)點個數(shù)。[0049] 圖3為依據(jù)上述方法所搭建的發(fā)電機箱體模態(tài)縮聚模型示意圖。[0050] 然后結(jié)合齒輪箱各軸系實際尺寸，采用Timoshenko梁單元法建立柔性軸模型，形成軸單元，如圖4；將齒輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行離散化處理，分解為幾個主要節(jié)點，包含軸節(jié)點、齒輪節(jié)點、軸承節(jié)點等。[0051] 采用如圖4所示的Timoshenko梁單元模型進行軸系單元的組裝，得到風(fēng)機齒輪箱軸系部件的柔性體模型，同時將電機轉(zhuǎn)子考慮為梁單元結(jié)構(gòu)。假設(shè)第i個梁單元在局部坐標系中的節(jié)點位移列向量為：[0052] qe＝{xi,yi,θzi,xi+1,yi+1,θzi+1}T[0053] 其中，xi、yi、Zi分別為節(jié)點i沿局部坐標方向的位移，θzi為節(jié)點i處繞軸線方向的旋轉(zhuǎn)角度，T為矩陣轉(zhuǎn)置。[0054] 軸承作為連接軸與箱體的關(guān)鍵構(gòu)件，采用有限元軟件計算軸承支撐剛度如圖5a和圖5b所示，形成軸承支撐單元。[0055] 利用牛頓第二定律構(gòu)建齒輪系統(tǒng)的動力學(xué)方程，考慮時變嚙合剛度，誤差以及內(nèi)外嚙合相位等內(nèi)部激勵特性，形成嚙合單元，齒輪系統(tǒng)采用集中參數(shù)法，以獲取系統(tǒng)的嚙合單元。[0056] 平行軸齒輪傳動系統(tǒng)動力學(xué)模型簡圖如圖6所示，采用大齒輪輸入，小齒輪輸出的形式，起到升速的作用，小齒輪通過連接軸和法蘭與電機相連。該坐標系與全局坐標系一致，動力學(xué)模型中：θj為齒輪j(j＝s3、g3)的轉(zhuǎn)角；rj為齒輪j的基圓半徑；ksg3、csg3、esg3和α3分別為齒輪副的時變嚙合剛度、嚙合阻尼、綜合嚙合誤差和嚙合角；[0057] 通過將平行級的斜齒輪副沿嚙合線方向進行投影，計算嚙合變形的動態(tài)傳遞誤差δsg3的表達式為：[0058][0059] 主動輪齒輪動力學(xué)方程為：[0060][0061] 從動輪齒輪動力學(xué)方程為：[0062][0063] 如圖6所示，上述公式中，ms3、mg3分別為主從動輪質(zhì)量，Js3、Jg3分別為主從動輪沿軸線方向的轉(zhuǎn)動慣量，kbs3、kbp3分別為主、從動輪的軸承支撐剛度，cbs3、cbp3分別為主、從動輪的軸承支撐阻尼，xi，yi(i＝g3,s3)是構(gòu)件i的質(zhì)心因振動而偏離其理論位置的線位移，在轉(zhuǎn)動坐標系中度量。[0064] 步驟二還包括對齒輪系統(tǒng)模型進行驗證和修正的步驟。[0065] 步驟三，基于步驟二各子單元的剛度質(zhì)量矩陣，結(jié)合系統(tǒng)各子構(gòu)件的連接耦合方式，組裝成為考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈夏Ｐ停豢紤]了箱體結(jié)構(gòu)特性、軸系系統(tǒng)的柔性、齒輪時變嚙合剛度、誤差等非線性激勵，即機械系統(tǒng)沿著軸線和繞軸線方向的運動，即{x,y,z,θx,θy,θz}為廣義坐標；利用拉格朗日方程建立齒輪系統(tǒng)-電機的機械動力學(xué)模型為：[0066][0067] 式中，M為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣，Km與Cm分別為嚙合剛度與嚙合阻尼矩陣，Kb與Cb分別為支撐剛度與支撐阻尼矩陣，Kt與Ct分別為扭轉(zhuǎn)剛度與扭轉(zhuǎn)阻尼矩陣，KΩ、KA分別為向心剛度矩陣和切向剛度矩陣，CG為陀螺矩陣，θi為構(gòu)件i的轉(zhuǎn)角，F(xiàn)為考慮電磁轉(zhuǎn)矩與電磁徑向力的外部力矩陣。[0068] 如圖7所示，組裝系統(tǒng)整體動力學(xué)模型時，根據(jù)各單元節(jié)點局部編號與系統(tǒng)節(jié)點整體編號的對應(yīng)關(guān)系，依次將單元矩陣各自由度對應(yīng)的子矩陣疊加到整體矩陣相應(yīng)的位置即可。[0069] 如圖8示出了采用上述方法得到的系統(tǒng)整體剛度，當圖中的方塊由兩種陰影組成時，該子矩陣為相應(yīng)單元子矩陣的疊加。[0070] 步驟四，基于有限元軟件，對永磁同步發(fā)電機的磁鋼、定、轉(zhuǎn)子、線圈等材料進行設(shè)定，考慮永磁材料的磁飽和特性，進行空間氣隙磁密、漏磁特性以及動態(tài)特性分析，獲取系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩和電磁徑向、切向力，形成外載荷向量單元。[0071] 由于電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，定子內(nèi)徑表面上的電磁力也隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，因此該電磁力是隨時間和空間發(fā)生變化的，正弦波供電時永磁同步電機的定子繞組中存在正弦電流，定子電流感應(yīng)產(chǎn)生電樞繞組磁場，使氣隙磁場發(fā)生了變化。電磁力由電機氣隙磁場產(chǎn)生，并作用于定子鐵心內(nèi)表面單位面積上。電磁力的表達公式為：[0072] F(t,θ)＝F0+∑∑Fuvcos(upwrt+vpθ+θ01)[0073] 式中，F(xiàn)0是直流分量，F(xiàn)uv為電磁力各次諧波的幅值，u為時間諧波階數(shù)，v是空間諧波階數(shù)，p為極對數(shù)，vp為徑向力的模數(shù)，表示徑向力在定子一周空間上分布著幾個周期的正弦波，wr為電機機械角速度，θ為轉(zhuǎn)子位置角度。[0074] 步驟五，根據(jù)步驟三中得到齒輪系統(tǒng)與發(fā)電機系統(tǒng)的相互耦合作用關(guān)系，結(jié)合步驟四電機轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的電磁徑向力波與電磁轉(zhuǎn)矩，通過磁-電和磁-機耦合項，建立機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)之間的聯(lián)系，從而得到電機驅(qū)動的傳動系統(tǒng)的機電耦合模型。[0075] 根據(jù)永磁同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)特征，考慮了轉(zhuǎn)子磁場空間諧波、磁路飽和、交叉飽和以及交叉耦合效應(yīng)等因素,采用有限元軟件考慮電機電磁材料的飽和特性計算電機系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩和空間氣隙徑向、切向電磁磁密，結(jié)果如圖9所示。[0076] 電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，定子內(nèi)徑表面上的空間氣隙磁密也隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，因此該空間氣隙磁密是隨時間和空間發(fā)生變化的。[0077] 正弦波供電時永磁同步電機的定子繞組中存在正弦電流，定子電流感應(yīng)產(chǎn)生電樞繞組磁場，使氣隙磁場發(fā)生了變化。電磁力由電機氣隙磁場產(chǎn)生，并作用于定子鐵心內(nèi)表面單位面積上，利用麥克斯韋應(yīng)力張量法，可以求出定子鐵心內(nèi)表面單位面積上的徑向電磁力和切向電磁力，如圖10，計算公式如下所示：[0078][0079] 式中，F(xiàn)r和Ft分別為作用在鐵磁物質(zhì)表面上的徑向和切向麥克斯韋電磁力，μ為鐵磁物質(zhì)交界面上一側(cè)介質(zhì)的磁導(dǎo)率，為4π×10-7H/m；Br和Bt分別為一側(cè)介質(zhì)中的徑向、切向磁通密度。[0080] 從能量角度來看，機電能量轉(zhuǎn)換過程是以氣隙磁場為耦合場，從機械能轉(zhuǎn)換為磁能，再從磁能轉(zhuǎn)換為電能的過程。其中，感應(yīng)電動勢是磁場與電氣系統(tǒng)之間的耦合項，電磁轉(zhuǎn)矩Te則是磁場與機械系統(tǒng)之間的耦合項。[0081] 依據(jù)上述方法，建立的齒輪-永磁同步發(fā)電機多因素下的機-電耦合模型如下：[0082][0083] 式中，Te為永磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)矩，R為電機相電阻，I為電機相電流，Ld、Lq分別為d、q軸電感，id、iq分別為d、q軸電流。[0084] 依據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，采用MATLAB/Simulink數(shù)值計算軟件分別搭建三相永磁同步電機和多級齒輪系統(tǒng)的仿真模型，將電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速作為公共變量在兩者之間實時傳遞數(shù)據(jù)。[0085] 本發(fā)明針對風(fēng)力發(fā)電機傳動系統(tǒng)中存在的兩種典型的耦合現(xiàn)象，提出了一種風(fēng)力發(fā)電機傳動系統(tǒng)齒輪-發(fā)電機耦合模型的建模與仿真方法，是基于模態(tài)縮聚法的剛?cè)狁詈辖７椒ǎ⑴c考慮了永磁同步發(fā)電機的內(nèi)部激勵特性的發(fā)電機模型耦合建立的一種齒輪-發(fā)電機的剛?cè)?機電耦合仿真分析模型，能夠快速的對系統(tǒng)中存在的機電耦合現(xiàn)象進行解析表征，解釋齒輪系統(tǒng)與發(fā)電機系統(tǒng)相互作用影響規(guī)律，為風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)集成設(shè)計優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。[0086] 該建模方法可有效的分析剛?cè)?機電耦合系統(tǒng)的動態(tài)特性，本實施例以風(fēng)力發(fā)電機的傳動系統(tǒng)為研究對象進行的建模，是為闡釋權(quán)利要求進行的說明，不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制，該建模方法為通用性的建模方法，對新能源汽車中的高速一體化電驅(qū)動系統(tǒng)等類似的剛?cè)?機電耦合系統(tǒng)同樣適用，且效果更為明顯。[0087] 最后需要說明的是，上述描述僅僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不違背本發(fā)明宗旨及權(quán)利要求的前提下，可以做出多種類似的表示，這樣的變換均落入本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。