CN115065183B - 一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机 - Google Patents

一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机，涉及永磁电机设计领域。其结构包括定子、电枢绕组、转子、转子永磁体、转子铁心空气槽和转轴；所述转子围绕所述转轴外部设置，所述定子围绕所述转子外部设置，所述电枢绕组设置在所述定子上，所述转子铁心的每一极沿径向由外到内设置第一永磁体和第二永磁体，所述转子铁心空气槽依据拓扑优化法设置于两两永磁极之间。本发明以输出电压畸变率和幅值为优化目标，使用参数优化法设计电机各部尺寸。依据参数优化后磁密分布，采用基于遗传算法的拓扑优化法优化电机转子部分铁心分布，达到轻量化目的。本发明所述发电机结构设计与方法能减少永磁体用量，引导磁场分布，提高功率密度。

Description

一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机
技术领域
本发明涉及永磁同步电机设计领域，尤其涉及一种基于拓扑优化方法的新型航空用双层开气隙不对称发电机结构设计方法。
背景技术
永磁同步电机凭借其自身结构简单、功率密度高、内部损耗小等特点，在军事、工业等领域获得了广泛的应用。相较于异步电机，其具有功率因数高、力矩惯量比大、控制性能好等优势；相较于直流电机，其无需换向器和电刷，具有可靠性高、适用范围广、维护成本低等优势。但是，永磁同步电机的制造需要消耗大量稀土永磁材料，导致其造价昂贵，因此在保证电机使用性能和可靠性的基础上，降低永磁同步电机永磁材料的使用成为近年来研究热点。
在交替极电机的转子中，相较于传统永磁转子的N极永磁体与S极永磁体交替分布，其所有S极永磁体为铁心所替代，由永磁磁极和相邻铁心凸极构成一对极，因此可以大大降低永磁体使用量。但是现有交替极电机一对极下的磁力线仅穿过一块永磁体，相较于普通永磁同步电机磁力线穿过两块永磁体，其dq轴电感差值较小，产生的电磁转矩也因此降低。采用铁心替代部分永磁体，可能导致输出电压畸变，对负载造成影响，同时对于电机本身的质量并没有改善。因此，如何提高交替极转子永磁同步电机的电压质量同时实现电机的轻量化设计是本发明亟需解决的问题。
与此同时，多电飞机和全电飞机的广泛应用对航空用电机提出了更高的要求，考虑到涉及航空领域的电机需要占空小，质量轻，功率大，电机的轻量化设计方法成为电机设计的重点问题。
发明内容
技术问题：针对现有技术缺陷，本发明旨在提供一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机，通过优化电机自身参数、改善转子内永磁体、空气隙分布，解决交替极转子永磁同步电机输出电压畸变、电机本身质量过大的问题。
技术方案：本发明的一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机包括定子、电枢绕组、混合永磁转子、非导磁转轴；所述定子的内侧沿定子轭圆周设有定子铁心齿，在两定子铁心齿之间形成齿槽，电枢绕组位于该齿槽内；混合永磁转子固定在非导磁转轴外周并放置在定子中的空腔内，混合永磁转子有多个永磁极，每一个永磁极沿径向由外到内设置第一层永磁体和第二层永磁体形成一组混合永磁体，且对称分布在混合永磁转子圆周内，在各组混合永磁体之间设有类三角形的空气槽。
所述永磁极的第一层永磁体均匀分布在转子圆周内部，每个永磁极的第一层永磁体分为四段永磁块即第一永磁块、第二永磁块、第三永磁块、第四永磁块，第一永磁块和第四永磁块为径向放置的永磁体，第二永磁块和第三永磁块为切向放置的永磁体；第一永磁块、第二永磁块、第三永磁块、第四永磁块顺序排列构成一个“C”形结构，其中，在第一永磁块、第二永磁块与第三永磁块、第四永磁块之间设有三角形磁障，第一永磁块、第二永磁块与第三永磁块、第四永磁块以轴对称形式位于三角形磁障的两旁被三角形磁障隔开，第一永磁块与第二永磁块之间以及第三永磁块与第四永磁块之间分别设有第一磁桥，第一永磁块、第四永磁块的外侧与混合永磁转子外侧紧贴。
所述永磁极的第二层永磁体包围在第一层永磁体外，每个永磁极的第一层永磁体外分别设有一个第二层永磁体；每个永磁极中的第二层永磁体分为四段永磁块即第五永磁块、第六永磁块、第七永磁块、第八永磁块，第五永磁块和第八永磁块为径向放置的永磁体，第六永磁块和第七永磁块为切向放置的永磁体；第五永磁块、第六永磁块、第七永磁块、第八永磁块顺序排列构成一个“C”形结构，其中，第五永磁块、第六永磁块与第七永磁块、第八永磁块之间设有三角形磁障，第五永磁块、第六永磁块与第七永磁块、第八永磁块以轴对称形式位于三角形磁障的两旁被三角形磁障隔开，第五永磁块与第六永磁块之间以及第七永磁块、第八永磁块之间分别设有第二磁桥；第五永磁块和第八永磁块的外侧与混合永磁转子的外侧不完全贴合，其间由气隙填充。
所述第二层永磁体的矫顽力大于第一层永磁体的矫顽力。
所述三角形磁障的形状为等边三角形，设置的位置为等边三角形的底边靠近非导磁转轴一侧，等边三角形底边的对角靠近混合永磁转子的外边缘。
所述第一磁桥、第二磁桥的形状为三角形，其中该三角形的两条边分别与永磁块的一条边相连。
所述混合永磁转子还包括转子铁心，采用永磁极与转子铁心交替设置的结构，即用转子铁心作为铁心极代替部分永磁极形成铁心极与永磁极相间设置的混合磁极结构，起到聚磁的作用，在保持输出容量的同时减少永磁体的数量，降低成本。
所述混合永磁转子，使用拓扑优化方法对混合永磁转子两两永磁极之间的地方进行轻量化，形成各组混合永磁体之间为类三角形的空气槽，以降低输出电压的畸变率和提高输出电压幅值作为优化目标。
所述类三角形的空气槽有三个，由拓扑优化方法得出位置与形状，三个类三角形的空气槽待优化区域以转轴为中心，分别处在两两永磁极之间，各自相距120度；第一类三角形的空气槽优化区域设计为全面积的空气槽；第二类三角形空气槽优化区域设计为四分之三面积的空气槽，即类三角形的空气槽待优化区域靠近转轴一侧的四分之一面积设为铁心材；第三类三角形空气槽优化区域设计为四分之一面积的空气槽，即类三角形的空气槽待优化区域远离转轴一侧的一个角为空气槽，其他区域设为铁心材，形成不对称转子结构。
所述由拓扑优化方法得出位置与形状，具体为：
第一步，对所述不对称转子结构的参数化建模，将所述定子、混合永磁转子、齿槽、永磁体和空气槽尺寸分别设置为可变参数并给定参数的范围，将上述每一个部件的参数分别在其大小范围内进行随机选取一个，再将每一个部件随机选取的一个参数组合成为一个参数组合，共选多组，以输出电压的畸变率最小和输出电压幅值最高作为优化目标，进行参数优化设计，找出满足优化目标的最优组合；
第二步，所述拓扑优化方法基于高斯网格形成，对该电机两混合永磁体之间的类三角形区域即优化区域分解为有限个数的高斯网络单元表示，高斯网格均匀分布在坐标系中，为所有的高斯网格单元设置相同的各向同性偏差；根据高斯网格单元确定的归一化高斯函数的加权和作为形状函数表征此类三角形区域几何结构的形状；根据该几何结构结合每个高斯网格有限元所表征的材料属性，得到高斯网格有限元的构成材料与材料分布情况；
第三步，所述拓扑优化方法基于遗传算法收敛，把所述的优化区域离散成有限个单元的基结构，对这些单元分别设置开、关两种状态，分别代表该单元使用钢和空气材料，将优化区域的电磁计算，转换为对有限个单元组成的基结构在不同的材料构成情况下的电磁计算，以输出电压的畸变率最低和输出电压幅值最高作为优化目标，根据遗传算法计算确定优化区域中各个有限单元的开关状态，得到最优的开关状态组合和最优的电磁计算结果，即可确定优化区域中不同区域的构成材料，形成最终的不对称拓扑结构，从而实现拓扑优化。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
1、通过交替极转子结构设计，大大降低了永磁体的使用量，降低转子质量，提高功率密度。
2、采用多层分布的永磁体，能够提升电机的磁阻转矩，从而提高电机的电磁转矩。
3、通过矫顽力较大的第一永磁体和矫顽力较小的第一永磁体在空间位置上相互交错有效消除了永磁体尺寸设计受空间位置限制的问题，扩大了磁通的有效面积，提高了设计的自由度和永磁利用率；
4、通过转子开气隙的结构设计，有效减少了转子重量和转动惯量，提高了电机的转矩密度和控制精度。
5、通过参数优化的结构设计，有效提高了电机输出电压的幅值，降低了谐波幅值。
6、通过拓扑优化的结构设计，有效提高了电机的输出功率，抑制了谐波畸变率，提高了电机的功率密度。
附图说明
图1为本发明的电机横截面结构图；
图2为本发明的电机的永磁体正向磁化时磁力线分布图。
图3为本发明的电机的初始结构图。
图4为本发明的电机的参数优化后结构图。
图5为本发明的电机的参数优化后反电势图。
图6为本发明的电机的参数优化后U相反电势傅里叶分析图。
图7为本发明的电机的拓扑优化设置图。
图8为本发明的电机的拓扑优化后反电势图。
图9为本发明的电机的拓扑优化后U相反电势傅里叶分析图。
图中有：定子1、定子铁心齿1.1、定子轭1.2、空腔1.3；电枢绕组2；混合永磁转子3、转子铁心3.1、第一层永磁体3.2、第二层永磁体3.3、三角形磁障3.4、第一永磁块3.2.1、第二永磁块3.2.2、第三永磁块3.2.3、第四永磁块3.2.4、第五永磁块3.3.1、第六永磁块3.3.2、第七永磁块3.3.3、第八永磁块3.3.4，第一磁桥3.5、第二磁桥3.6、第一类三角形的空气槽3.7、第二类三角形空气槽3.8、第三类三角形空气槽3.9、非导磁转轴4。
具体实施方式
结合图1所示，本实例所涉及的一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机，包括定子1、电枢绕组2、混合永磁转子3、非导磁转轴4。非导磁转轴4、混合永磁转子3和定子1按照从内到外依次设置。所述定子1的内侧沿定子轭1.2圆周设有定子铁心齿1.1，在两定子铁心齿1.1之间形成齿槽，电枢绕组2位于该齿槽内；混合永磁转子3固定在非导磁转轴4外周并放置在定子1中的空腔内，混合永磁转子3有多个永磁极，每一个永磁极沿径向由外到内设置第一层永磁体3.2和第二层永磁体3.3形成一组混合永磁体，且对称分布在混合永磁转子3圆周内，在各组混合永磁体之间设有类三角形的空气槽。混合永磁转子3的转子铁心围绕在非导磁转轴4外部设置，每个永磁极还设有一个三角形磁障3.4。每个永磁极的第一层永磁体3.2分为四段永磁块顺序排列构成一个“C”形结构，即第一永磁块3.2.1、第二永磁块3.2.2、第三永磁块3.2.3、第四永磁块3.2.4，第一永磁块3.2.1和第四永磁块3.2.4为径向放置的永磁体，第二永磁块3.2.2和第三永磁块3.2.3为切向放置的永磁体；其中，在第一永磁块3.2.1、第二永磁块3.2.2与第三永磁块3.2.3、第四永磁块3.2.4之间设有三角形磁障3.4，第一永磁块3.2.1、第二永磁块3.2.2与第三永磁块3.2.3、第四永磁块3.2.4以轴对称形式位于三角形磁障3.4的两旁被三角形磁障3.4隔开，第一永磁块3.2.1与第二永磁块3.2.2之间以及第三永磁块3.2.3与第四永磁块3.2.4之间分别设有第一磁桥3.5，第一永磁块3.2.1、第四永磁块3.2.4的外侧与混合永磁转子3外侧紧贴。第二层永磁体3.3包括第五永磁块3.3.1、第六永磁块3.3.2、第七永磁块3.3.3、第八永磁块3.3.4，第二磁桥3.6，其结构与第一层永磁体3.2一样，第二层永磁体3.3包在第一层永磁体3.2 外。第一层永磁体3.2与第二层永磁体3.3构成双层永磁结构，第一层永磁体3.2和第二层永磁体3.3在磁路上呈串联关系。在同一极中，第二层永磁体3.3和第一层永磁体3.2都是按中心轴线对称设置，第一层永磁体3.2、第二层永磁体3.3和三角形磁障3.4中心轴线重合。形状分别为类三角形的空气槽有三个，由拓扑优化方法得出位置与形状，三个类三角形的空气槽待优化区域以非导磁转轴4为中心，分别处在两两永磁极之间，各自相距120度；第一类三角形的空气槽3.7优化区域设计为全面积的空气槽；第二类三角形空气槽3.8优化区域设计为四分之三面积的空气槽，即类三角形的空气槽待优化区域靠近转轴一侧的四分之一面积设为铁心材；第三类三角形空气槽3.9优化区域设计为四分之一面积的空气槽，即类三角形的空气槽待优化区域远离转轴一侧的一个角为空气槽，其他区域设为铁心材，形成不对称转子结构。
本发明公开的基于拓扑优化方法的新型航空用双层开气隙不对称发电机结构的运行原理如下：
永磁磁通首先从混合永磁转子3上径向放置的第二层永磁体3.3.1的北极出发，一部分直接穿过混合永磁转子3直接回到径向放置的第二层永磁体3.3.1南极，但是由于第二磁桥3.6的存在，该部分数值极小；还有一部分到达切向放置的第二层永磁体3.3.2的南极，起到聚磁作用；绝大多数部分到达第一层径向放置永磁体3.2.1的南极，此时第一层永磁体径向放置的永磁块3.2.1处于增磁状态，两种永磁磁通叠加后同方向流动，经过气隙，到达定子铁心齿1.1，再穿过定子轭1.2，以相同路径回到径向放置的第二永磁体3.3.1的南极。永磁体在磁化状态下的磁力线分布如图2所示。同时，电机的电枢绕组2通入与混合永磁转子转速一致的三相交流电流，定转子形成的旋转磁场相互作用，从而实现机电能量转换。所增加的三角形磁障3.4和第二磁桥3.6可以有效减小所需的励磁电流，第一类三角形的空气槽3.7、第二类三角形空气槽3.8、第三类三角形空气槽3.9可以大大降低转子质量，提高功率密度，双层永磁结构可以显著提高电磁转矩。
本发明公开的基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机结构的设计过程如下：
电机初始结构如图3所示，拓扑由内置式转子模块与定子模块组成，为6极81槽组合。交替极设计的永磁体安装在转子上。永磁体磁化方向相交来汇聚磁力线，永磁体之间存在磁障以保证输出性能。电机定子采用梨形槽。对定子内径、转子外径、齿槽、永磁体、转子空气隙尺寸参数化建模并优化，优化后结构如图4所示，优化后反电势与傅里叶分析谐波波形如图5、图6所示。
参数优化后，针对电机磁密利用率较小及接近于0的地方，采用拓扑优化的方法进行轻量化设计，选定电机磁密利用率较小及接近于0的地方，即两两永磁极之间三块类扇形区域，使用高斯网络进行单元设置如图7所示每一个高斯的单元的输出如公式（1）（2）所示：
Figure 915387DEST_PATH_IMAGE001
（1）
Figure 318686DEST_PATH_IMAGE002
（2）
式中：x为位置矢量，N为高斯单元数量，G k (x)为高斯函数，w i 为b i (x) 的权重系数。根据每一个高斯单元的开关状态，以及重叠区域高斯单元的组合开关状态，即可得到此高斯网格的输出。
使用遗传算法对高斯网格单元确定的归一化高斯函数的加权和求极值的优化收敛。优化后形成的电机结构如图1所示，优化后电机的反电势与傅里叶谐波如图8，9所示。在输出功率不变的情况下，三部分类扇型优化区域原质量0.6455kg，优化后质量下降0.4408kg，重量下降69%，优化后电机总有效重量功率密度下降3.8%，有效地使功率密度提高3.8%。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机，其特征在于该发电机包括定子（1）、电枢绕组（2）、混合永磁转子（3）、非导磁转轴（4）；所述定子（1）的内侧沿定子轭（1.2）圆周设有定子铁心齿（1.1），在两定子铁心齿（1.1）之间形成齿槽，电枢绕组（2）位于该齿槽内；混合永磁转子（3）固定在非导磁转轴（4）外周并放置在定子（1）中的空腔内，混合永磁转子（3）有多个永磁极，每一个永磁极沿径向由外到内设置第一层永磁体（3.2）和第二层永磁体（3.3）形成一组混合永磁体且对称分布在混合永磁转子（3）圆周内，在各组混合永磁体之间设有类三角形的空气槽；
所述永磁极的第一层永磁体（3.2）均匀分布在转子圆周内部，每个永磁极的第一层永磁体（3.2）分为四段永磁块即第一永磁块（3.2.1）、第二永磁块（3.2.2）、第三永磁块（3.2.3）、第四永磁块（3.2.4），第一永磁块（3.2.1）和第四永磁块（3.2.4）为径向放置的永磁体，第二永磁块（3.2.2）和第三永磁块（3.2.3）为切向放置的永磁体；第一永磁块（3.2.1）、第二永磁块（3.2.2）、第三永磁块（3.2.3）、第四永磁块（3.2.4）顺序排列构成一个“C”形结构，其中，在第一永磁块（3.2.1）、第二永磁块（3.2.2）与第三永磁块（3.2.3）、第四永磁块（3.2.4）之间设有三角形磁障（3.4），第一永磁块（3.2.1）、第二永磁块（3.2.2）与第三永磁块（3.2.3）、第四永磁块（3.2.4）以轴对称形式位于三角形磁障（3.4）的两旁被三角形磁障（3.4）隔开，第一永磁块（3.2.1）与第二永磁块（3.2.2）之间以及第三永磁块（3.2.3）与第四永磁块（3.2.4）之间分别设有第一磁桥（3.5），第一永磁块（3.2.1）、第四永磁块（3.2.4）的外侧与混合永磁转子（3）外侧紧贴；
所述永磁极的第二层永磁体（3.3）包围在第一层永磁体（3.2）外，每个永磁极的第一层永磁体（3.2）外分别设有一个第二层永磁体（3.3）；每个永磁极中的第二层永磁体（3.3）分为四段永磁块即第五永磁块（3.3.1）、第六永磁块（3.3.2）、第七永磁块（3.3.3）、第八永磁块（3.3.4），第五永磁块（3.3.1）和第八永磁块（3.3.4）为径向放置的永磁体，第六永磁块（3.3.2）和第七永磁块（3.3.3）为切向放置的永磁体；第五永磁块（3.3.1）、第六永磁块（3.3.2）、第七永磁块（3.3.3）、第八永磁块（3.3.4）顺序排列构成一个“C”形结构，其中，第五永磁块（3.3.1）、第六永磁块（3.3.2）与第七永磁块（3.3.3）、第八永磁块（3.3.4）之间设有三角形磁障（3.4），第五永磁块（3.3.1）、第六永磁块（3.3.2）与第七永磁块（3.3.3）、第八永磁块（3.3.4）以轴对称形式位于三角形磁障（3.4）的两旁被三角形磁障（3.4）隔开，第五永磁块（3.3.1）与第六永磁块（3.3.2）之间以及第七永磁块（3.3.3）、第八永磁块（3.3.4）之间分别设有第二磁桥（3.6）；第五永磁块（3.3.1）和第八永磁块（3.3.4）的外侧与混合永磁转子（3）的外侧不完全贴合，其间由气隙填充；
所述混合永磁转子（3），使用拓扑优化方法对混合永磁转子（3）两两永磁极之间的地方进行轻量化，形成各组混合永磁体之间为类三角形的空气槽，以降低输出电压的畸变率和提高输出电压幅值作为优化目标；
所述类三角形的空气槽有三个，由拓扑优化方法得出位置与形状，三个类三角形的空气槽优化区域以转轴为中心，分别处在两两永磁极之间，各自相距120度；第一类三角形的空气槽（3.7）优化区域设计为全面积的空气槽；第二类三角形空气槽（3.8）优化区域设计为四分之三面积的空气槽，即类三角形的空气槽优化区域靠近转轴一侧的四分之一面积设为铁心材；第三类三角形空气槽（3.9）优化区域设计为四分之一面积的空气槽，即类三角形的空气槽优化区域远离转轴一侧的一个角为空气槽，其他区域
设为铁心材，形成不对称转子结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机，其特征在于，所述第二层永磁体（3.3）的矫顽力大于第一层永磁体（3.2）的矫顽力。
3.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机，其特征在于，所述三角形磁障（3.4）的形状为等边三角形，设置的位置为等边三角形的底边靠近非导磁转轴（4）一侧，等边三角形底边的对角靠近混合永磁转子（3）的外边缘。
4.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机，其特征在于，所述第一磁桥（3.5）、第二磁桥（3.6）的形状为三角形，其中该三角形的两条边分别与永磁块的一条边相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机，其特征在于，所述混合永磁转子（3）还包括转子铁心（3.1），采用永磁极与转子铁心（3.1）交替设置的结构，即用转子铁心（3.1）作为铁心极代替部分永磁极形成铁心极与永磁极相间设置的混合磁极结构，起到聚磁的作用，在保持输出容量的同时减少永磁体的数量，降低成本。
6.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机，其特征在于，所述由拓扑优化方法得出位置与形状，具体为：
第一步，对所述不对称转子结构的参数化建模，将所述定子、混合永磁转子、齿槽、永磁体和空气槽尺寸分别设置为可变参数并给定参数的范围，将上述每一个部件的参数分别在其大小范围内进行随机选取一个，再将每一个部件随机选取的一个参数组合成为一个参数组合，共选多组，以输出电压的畸变率最小和输出电压幅值最高作为优化目标，进行参数优化设计，找出满足优化目标的最优组合；
第二步，所述拓扑优化方法基于高斯网格形成，对该电机两混合永磁体之间的类三角形区域即优化区域分解为有限个数的高斯网络单元表示，高斯网格均匀分布在坐标系中，为所有的高斯网格单元设置相同的各向同性偏差；根据高斯网格单元确定的归一化高斯函数的加权和作为形状函数表征此类三角形区域几何结构的形状；根据该几何结构结合每个高斯网格有限元所表征的材料属性，得到高斯网格有限元的构成材料与材料分布情况；
第三步，所述拓扑优化方法基于遗传算法收敛，把所述的优化区域离散成有限个单元的基结构，对这些单元分别设置开、关两种状态，分别代表该单元使用铁心材和空气材料，将优化区域的电磁计算，转换为对有限个单元组成的基结构在不同的材料构成情况下的电磁计算，以输出电压的畸变率最低和输出电压幅值最高作为优化目标，根据遗传算法计算确定优化区域中各个有限单元的开关状态，得到最优的开关状态组合和最优的电磁计算结果，即可确定优化区域中不同区域的构成材料，形成最终的不对称拓扑结构，从而实现拓扑优化。
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