CN113420505B - 一种永磁辅助式同步磁阻电机优化设计方法 - Google Patents

一种永磁辅助式同步磁阻电机优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁辅助式同步磁阻电机优化设计方法，基于定转子电磁解耦原理，构建定转子电磁解耦的电机有限元模型；采用遗传算法对电磁解耦后的定、转子模型分别进行优化设计获得最优模型参数；再将优化过后的定、转子模型重新耦合，校验电机整体电磁性能。本发明方法可以有效降低优化维度、节省计算资源、提高电机电磁性能。

Description

一种永磁辅助式同步磁阻电机优化设计方法
技术领域
本发明涉及永磁辅助式同步磁阻电机优化设计的技术领域，特别是涉及一种永磁辅助式同步磁阻电机优化设计方法。
背景技术
同步磁阻电机一般是指利用转子位置变化所引起的磁阻变化，从而产生磁阻转矩的一种交流同步电机类型，其具有结构简单、成本低廉、加工方便等优点。
然而在同步磁阻电机具备上述优点同时，其功率因数较低的特点也较为突出。为了克服其上述缺点，并进一步改善电机的电磁性能，一般可以改进优化其转子结构拓扑，并在转子合适位置添加一定量的永磁体对电机进行辅助励磁，进而演变为永磁辅助式同步磁阻电机。永磁辅助式同步磁阻电机结合了同步磁阻电机和永磁同步电机各自的电磁特性和结构特点，其输出转矩中既含磁阻转矩又含永磁转矩，具有体积较小、效率较高、调速范围宽、转矩密度较高和成本较低的优点。
永磁辅助式同步磁阻电机还具备结构拓扑复杂、气隙谐波含量丰富、转矩脉动较大的特点。其电磁性能受定转子结构拓扑和绕组形式等因素的影响较为敏感。因此，为了进一步提升永磁辅助式同步磁阻电机电磁性能，工程技术人员通常会对上述敏感参数进行优化设计。
然而永磁辅助式同步磁阻电机定转子之间具有很强的电磁耦合关系，并且电机磁路具有非线性的特性，采用传统电机设计理论较难定量捕捉上述敏感参数对电机电磁性能的影响，特别是电机谐波电磁特性的变化。此外，永磁辅助式同步磁阻电机优化设计所涉及的总的优化维度较大，虽然可以应用一些优化算法缩短最优解的搜索路径，加快最优解的求解，但总体而言需要消耗的计算机资源和时间成本仍然偏高。因此，有必要针对永磁辅助同步磁阻电机优化设计困难的问题，提出降低优化维度、缩短最优解搜索路径的新型优化设计理论和方法。
发明内容
本发明针对永磁辅助式同步磁阻电机现有优化设计方法不足，提供一种基于定转子电磁解耦原理的新型电机电磁场模型以及相应的优化设计方法，以求降低永磁辅助式同步磁阻电机的优化维度，缩短最优解的搜索路径，实现电机电磁性能的提高。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种永磁辅助式同步磁阻电机优化设计方法，包括如下步骤：
(1)建立二维电磁场有限元初始完整模型，并进行初步电磁方案的设计；
(2)将二维电磁场有限元初始完整模型沿定转子气隙中心拆分成单独定子模型和单独转子模型，以求定转子电磁解耦；
(3)对于解耦后的定子模型，给定子绕组通以三相对称电流，在定子模型气隙中间位置处获得归一化气隙径向磁密分布；
(4)将步骤(3)中的归一化气隙径向磁密进行频谱分析得到相应磁密频谱。频谱图中的基波以及相应的谐波分量的大小能够反应绕组形式和定子结构拓扑等参数对电机电磁性能的影响。通常提高频谱中0阶分量的幅值有利于提高电机转矩输出水平，降低高阶谐波幅值有利于降低转矩脉动、杂散损耗和振动噪声等；
(5)单独转子模型可以参照步骤(3)和步骤(4)中的相同原理和步骤，获取转子侧的归一化气隙径向磁密和相应的磁密频谱；
(6)确定单独定、转子模型中待优化参数，其中定子侧待优化参数为xs1、xs2…xsn，定子侧待优化参数最小值xsi_min和最大值xsj_max，需要满足xs1∈(xs1_min，xs1_max)、xs2∈(xs2_min，xs2_max)…xsn∈(xsn_min，xsn_max)；i＝1，2…n，j＝1，2…n，其中n为正整数；转子侧待优化参数为xr1、xr2…xrn，其最小值xri_min和最大值xrj_max需要满足xr1∈(xr1_min，xr1_max)、xr2∈(xr2_min，xr2_max)…xrn∈(xrn_min，xrn_max)；
(7)采用遗传算法分别对单独定、转子模型进行优化，输入参数为步骤(6)中的xs1、xs2…xsn和xr1、xr2…xrn，输出量为步骤(3)中所述的归一化气隙径向磁密分布和步骤(4)中所述的磁密频谱；
(8)当步骤(7)中频谱中0阶分量的幅值达到最大值附近且高阶谐波的总谐波失真达到最小值附近时，得到定子侧优化参数xs1_opt、xs2_opt…xsn_opt和转子侧优化参数xr1_opt、xr2_opt…xrn_opt；
(9)将步骤(8)中优化过后的单独定、转子模型重新拼接耦合，形成优化过后的电机完整模型，校验电机主要电磁性能是否满足设计要求，若不符合，返回步骤(6),重新进行选择优化参数并进行优化设计直至满足设计要求。
作为本发明进一步优化的方案，所述步骤(6)中，定子侧待优化参数为xs1、xs2…xsn和转子侧待优化参数为xr1、xr2…xrn可根据具体的工程实际需求选取。
作为本发明进一步优化的方案，所述步骤(7)采用遗传算法减少优化维度、加快运算速度。
作为本发明进一步优化的方案，所述步骤(8)中以归一化气隙径向磁密和所对应的频谱特性为最优解优化的判据。
作为本发明进一步优化的方案，所述步骤(8)中，0阶分量的幅值最大值附近定义为与其目标最大值误差保持在±2％以内；高阶谐波的总谐波失真最小值附近定义为与其目标最小值的误差保持在±2％以内。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
既达到了提高永磁辅助式同步磁阻电机电磁性能的目的如在提高电机转矩输出水平和降低转矩脉动方面，又缩短了最优解的搜索路径，其构思的机理是：永磁辅助式同步磁阻电机的拓扑结构参数较多，且对电机电磁性能具有重要影响，两者存在高阶、非线性、强耦合的关系，同时待优化参数较多，直接优化运算需要较多计算资源且耗时长；将电机定转子进行电磁解耦，构建定转子电磁解耦的模型，并采用遗传算法对电磁解耦后的定、转子模型分别进行优化设计；再将优化过后的定、转子模型重新耦合，校验整机电磁性能，可以有效降低优化维度、缩短最优解的搜索路径、节省计算资源，实现电机电磁性能的提高。
附图说明
图1为本发明基于定转子电磁解耦的永磁辅助式同步磁阻电机优化设计方法流程示意图；
图2为本发明二维电磁场有限元定转子解耦模型示意图；
图3为本发明电磁解耦后的单独定子模型中提取的归一化气隙径向磁密分布；
图4为本发明电磁解耦后的单独定子模型中提取的归一化气隙径向磁密分布的频谱；
图5为本发明优化前后有限元仿真转矩波形对比图。
图中标号：1辅助励磁永磁体，2转子，3空气磁障，4定子绕组，5定子，6转子侧气隙，7定子侧气隙。
具体实施方式
为使清晰表述本发明实施例的目的、技术方案和优点，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明进行完整、清晰地描述。然而，本发明所描述的实施例是本发明一部分实施例，并非所有实施例，实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均应包含在本发明要求的保护范围之内。
如图1所示，本发明公开一种基于定转子电磁解耦原理的永磁辅助式同步磁阻电机优化设计方法实施例，包括以下步骤：
(1)建立一台380V,3.5kW永磁体辅助同步磁阻电机二维电磁场有限元初始完整模型，并进行初步电磁方案的设计。
(2)如图2所示，将二维电磁场有限元初始完整模型沿定转子气隙中心拆分成单独定子模型和单独转子模型，以求定转子电磁解耦，模型结构主要包括辅助励磁永磁体1，转子2，空气磁障3，定子绕组4，定子5，转子侧气隙6，定子侧气隙7。
(3)如图3所示，对于解耦后的定子模型，给定子绕组通以三相对称电流，在定子模型气隙中间位置处获得归一化气隙径向磁密分布。
(4)将步骤(3)中的归一化气隙径向磁密进行频谱分析可以得到如图4所示的归一化气隙径向磁密的频谱。该频谱图中的基波以及相应的谐波分量的大小能够反应绕组形式和定子结构拓扑等参数对电机电磁性能的影响。通常提高如图4所示频谱中0阶分量的幅值有利于提高电机转矩输出水平，降低高阶谐波幅值有利于降低转矩脉动、杂散损耗和振动噪声等。
(5)单独转子模型可以参照步骤(3)和步骤(4)中的相同原理和步骤，获取转子侧的归一化气隙径向磁密分布和相应的磁密频谱。
(6)确定单独定、转子模型中待优化参数，其中定子侧待优化参数为：定子绕组每相串联匝数xs1∈(80，120)步长为5总计9步、定子槽开口宽度xs2∈(2mm，4mm)步长为0.2mm总计11步、定子槽深xs3∈(10mm，20mm)步长为1mm总计11步；转子侧优化参数为：辅助励磁永磁体长度xr1∈(15mm，35mm)步长为2mm总计11步、辅助励磁永磁体宽度xr2∈(5mm，7mm)步长为0.2mm总计11步、空气磁障与永磁体之间夹角xr3∈(100°，150°)步长5°总计11步。
(7)采用遗传算法分别对单独定、转子模型进行优化，输入参数为步骤(6)中的xs1、xs2…xsn和xr1、xr2…xrn，输出量为如图3所示的归一化气隙径向磁密和如图4所示的归一化气隙径向磁密频谱。
(8)当步骤(7)中频谱中0阶分量的幅值达到1.07，此时接近目标最大值1.00附近，同时高阶谐波总谐波失真达到1.97％，此时接近目标最小值2.00％附近，得到定子侧优化参数xs1_opt＝100、xs2_opt＝3.8mm、xs3_opt＝14mm和转子侧优化参数xr1_opt＝29mm、xr2_opt＝5.8mm、xr3_opt＝135°。
(8)将步骤(8)中优化过后的单独定、转子模型重新拼接耦合，形成优化过后的电机完整模型，校验电机主要电磁性能发现其满足设计要求。就电磁转矩性能而言，优化前后有限元仿真转矩对比图如图5所示，优化前转矩大小为22.24Nm，转矩脉动大小为8.15Nm；优化后的转矩大小为24.24Nm，较优化前提高了8.99％，转矩脉动为6.61Nm，较优化前降低了18.86％。
其中，步骤(6)中，定子侧待优化参数为xs1、xs2…xsn和转子侧待优化参数为xr1、xr2…xrn可根据具体的工程实际需求选取。实施例中定子侧待优化维度共计9×11×11＝1089步，转子侧待优化维度共计11×11×11＝1331步，总待优化维度共计2420步；如不采用上述解耦模型，直接采用完整模型，总待优化维度共计约144万步。
其中，步骤(7)采用遗传算法减少优化维度、加快运算速度。
其中，步骤(8)以归一化气隙径向磁密和所对应的频谱特性为最优解优化的判据。
其中，步骤(8)中，0阶分量的幅值最大值附近定义为与其目标最大值误差保持在±2％以内；高阶谐波的总谐波失真最小值附近定义为与其目标最小值的误差保持在±2％以内。

Claims (3)

1.一种永磁辅助式同步磁阻电机优化设计方法，该方法基于定转子电磁解耦原理，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立二维电磁场有限元初始完整模型，并进行初步电磁方案的设计；
(2)将二维电磁场有限元初始完整模型沿定转子气隙中心拆分成单独定子模型和单独转子模型，以求定转子电磁解耦；
(3)对于解耦后的定子模型，给定子绕组通以三相对称电流，在定子模型气隙中间位置处获得归一化气隙径向磁密分布；
(4)将步骤(3)中的归一化气隙径向磁密进行频谱分析得到相应磁密频谱；
(5)单独转子模型参照步骤(3)和步骤(4)中的相同原理和步骤，获取转子侧的归一化气隙径向磁密和相应的磁密频谱；
(6)确定单独定、转子模型中待优化参数，其中定子侧待优化参数为xs1、xs2…xsn，转子侧待优化参数为xr1、xr2…xrn，其中n为正整数；
(7)采用遗传算法分别对单独定、转子模型进行优化，输入参数为步骤(6)中的xs1、xs2…xsn和xr1、xr2…xrn，输出量为步骤(3)中所述的归一化气隙径向磁密分布和步骤(4)中所述的磁密频谱；
(8)当步骤(7)中频谱中0阶分量的幅值与目标最大值误差保持在±2％以内且高阶谐波的总谐波失真与目标最小值误差保持在±2％以内时，得到定子侧优化参数xs1_opt、xs2_opt…xsn_opt和转子侧优化参数xr1_opt、xr2_opt…xrn_opt；
(9)将步骤(8)中优化过后的单独定、转子模型重新拼接耦合，形成优化过后的电机完整模型，校验电机主要电磁性能是否满足设计要求，若不符合，返回步骤(6),重新进行选择优化参数并进行优化设计直至满足设计要求。
2.依据权利要求1所述永磁辅助式同步磁阻电机优化设计方法，其特征在于：所述步骤(6)中，定子侧待优化参数为xs1、xs2…xsn和转子侧待优化参数为xr1、xr2…xrn根据具体的工程实际需求选取。
3.依据权利要求1所述永磁辅助式同步磁阻电机优化设计方法，其特征在于：所述步骤(8)以归一化气隙径向磁密和所对应的频谱特性为最优解优化的判据。
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