带导磁套的表贴式永磁电机磁极结构优化研究.pdf
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1、带导磁套的表贴式永磁电机磁极结构优化研究杨松艾阳毛远帆(中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室四川成都)摘 要 采用导磁套的表贴式磁极结构与传统表贴式永磁电机相比能够改善气隙磁密波形正弦性低、反电动势谐波含量高电机谐波损耗大等问题 文中选取电机的齿槽转矩、气隙磁密谐波畸变率、反电动势谐波畸变率和气隙磁密基波幅值为优化目标选取极弧系数、磁钢厚度、气隙、导磁套厚度、槽口宽度为优化参数 利用有限元仿真软件和 多目标优化方法进行优化设计 研究表明该结构具有减少齿槽转矩、提高气隙磁密基波赋值降低谐波畸变率改善气隙磁密波形和空载反电动势波形正弦度的作用 关键词 永磁电机表贴式气隙磁场多目标优化
2、:./.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()().引言永磁电机转子结构可分为表贴式和内置式两种 其中表贴式转子结构简单、制造成本低、转矩密度大、容易控制等的优点变频器供电情况下表贴永磁电机得到了广泛的应用 常规表贴式转子结构考虑到永磁体形状不易加工的问题永磁体大部分加工成同心弧形状由于气隙为均匀气隙气隙磁密多为矩形波谐波含量大一方面增大了谐波电流和损耗降低电机效率同时扭矩波动大电机平稳性差 另一方面谐波磁场的也会产生径向电磁力而且径向电磁力直接决定了一台电机振动噪声的性能 不利于电机的推广与使用许多文献研究了表贴式转子结构电机进行了磁极结构优化 文献一种多单元拼接的永磁体转子结构取代了传统
3、单片永磁体作为电机转子结构的方法改善气隙磁密波形文献、对每极永磁体外表面进行不均匀气隙处理使得电机气隙磁场接近正弦但是这些都是通过改变永磁体形状实现的此类方法必然使得永磁体加工复杂废料率提高增加永磁体制造成本文献利用 永磁阵列径向分块的永磁体按照各自的方向充磁后再粘接到转子铁心上增加了永磁体粘接过程的复杂度文献分析了不同充磁方式对表贴式永磁电机磁场的影响文献 对谐波畸变率随充磁方式、极弧系数、磁钢厚度等参数的变化规律对气隙磁场性能研究提供依据 但是这些方法仅针对充磁方式分析具有局限性本文以一台转子带有导磁套的表贴式永磁电机为研究对象选取极弧系数、永磁体厚度、气隙、导磁套厚度、槽口宽度 为优化参
4、数通过 有限元软件对多种电磁方案进行参数化扫描结合 方法对齿槽转矩、气隙磁密谐波畸变率、反电动势谐波畸变率 和气隙磁密基波幅值进行多目标优化得到最优参数组合 电机基本电磁参数本文研究对象为一台 极 转子带导磁套的表贴式永磁电机基本参数如表 所示 转子结构模型如图 所示表 常规表贴式永磁电机基本参数参数数值定子外径()定子内径()气隙长度().定子槽数定子槽口宽度().转子内径()永磁体牌号永磁体厚度()极对数 极弧系数.转子结构表贴式导磁套厚度().?图 带导磁套的表贴式永磁电机转子模型 基于 方法的电机优化.法 方法又叫田口方法、是建立正交表来进行实验的多目标优化方法最早由日本质量管理专家田
5、口玄一提出目的是降低产品和工艺对噪声因素的敏感度从而减少和消除噪声因素对产品质量的影响 其优点是利用较少的组合次数和数据快速得出多目标优化参数的最佳参数组合 方法具体的实施步骤:()确定优化目标和参数范围每个优化参数一般取 个值每个值对应一个编号称为水平值()建立正交表 正交表可统一表达为()其中 为正交表的代号、为正交表的行数、为水平值、为正交表中的列数(所选优化参数的个数)()比较和分析组合数据确定最佳优化参数()利用有限元分析软件验证最佳参数.优化目标和优化参数确定磁极结构优化的目的是获得低反电动势谐波畸变率低气隙磁场谐波畸变率以及高气隙磁密基波幅值 由于永磁电机中永磁体与定子齿槽作用会
6、产生齿槽转矩因此优化过程也应降低齿槽转矩对电机性能的影响本文选取齿槽转矩、气隙磁密谐波畸变率、反电动势谐波畸变率 和气隙磁密基波幅值为优化目标使得齿槽转矩、隙磁密谐波畸变率、反电动势谐波畸变率减小、增加气隙磁密基波幅值 根据优化目标选取极弧系数 永磁体厚度 气隙 导磁套厚度 和定子槽口宽度为优化参数.正交表建立对每个优化参数选择 个优化方案每个方案对应 个水平值即 优化参数数量为因此 各水平值对应的优化参数如表 所示表 优化参数各水平值水平值极弧系数 磁化方向长度()气隙()导磁套厚()槽口宽().正交表具有如下两个特点:()每列中不同的数字出现的次数相等 例如在两水平值的正交矩阵中任何一列都
7、有数字且任何一列中它们出现的次数是相等的()任意两列数字的排列是完整和均等的每种对数出现次数相等 以上两点的展现了正交矩阵的两大优点即“均匀分散性整齐可比”对表中个因子和水平值选用()(变量 水平)正交表根据传统的对比方法一共需要进行 次分析 但是根据 法建立正交表后只需做 次分析即可完成对所有因子的组合分析 利用 对每种组合进行分析结果如表 所示表 正交表及有限元仿真结果组合矩阵()()气隙磁密基波幅值().平均值分析为了更好的观察和分析各个优化因子对电机优化目标的影响应首先计算所有情况的平均值平均值计算公式如()所示结果如表 所示 ()式中正交表行数第 行的性能目标实现情况分析结果平均值如
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