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
8、表 所示表 分析结果平均值()气隙磁密基波幅值().再对各个参数水平因子下的性能指标求取平均值优化结果平均值见表 影响比重见表 表 各优化参数对优化目标的影响比重参数()()气隙磁密基波幅值()比重()比重()比重()比重().表 各性能指标平均值参数水平值()()()气隙磁密基波幅值().用表 和表 所得的平均值和各参数在各水平因子下的平均值所求出各优化目标下优化因子的方差获得每个优化因子与优化目标的比例计算公式如下()()()式中各性能指标()表 中 的第 个水平下的平均值()表 中各指标的平均值 结果分析为了更直观的分析各因子对性能指标影响将表 用图表示如图 由图 分析可知 在 个优化目
9、标中都是比重最大的其中在反电动势谐波畸变率和气隙磁密基波幅值的比重最大以气隙磁密幅值最大、谐波畸变率最小为基准选取()以选择齿槽转矩最小为基准 选取()以气隙磁密谐波畸变率最小为基准选取()其余以齿槽转矩最小为基准选取()、()故确定优化参数的取值:().()().().().优化前后齿槽转矩、反电动势、气隙磁密波形如图、图、图 所示可以看出反电动势、气隙磁密波形的正弦度都有一定程度的提高 优化前后参数对比如表 所示2 4.2.22.01.81.61.41.21.00.8c1 2 3 4?ah1gh2b01T24.524.023.523.022.522.021.5/%Brah1gh2b011
10、2 3 4?THE87654321 2 3 4?ah1gh2b01/%emfTHD1 00.0 95.0 901 2 3 4?ah1gh2b01?/TBr图 各优化参数对性能的影响表 优化前后参数对比优化目标优化前优化后优化率()().().().气隙磁密基波幅值().43210-1-2-3-40 5 10 15 20?/deg?/.N m?图 优化前后齿槽转矩3002001000-100-200-3000 0000 0050 0100 0150 020.?/s?/N图 优化前后反电动势1 0.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0-.0 2-.0 4-.0 6-.0 8-.1 00 60 1
11、20 180 240 300 360?/deg?/T?图 优化前后气隙磁密由表 可以看出优化前后齿槽转矩分别为.和.气隙磁密谐波畸变率减少了.反电动势谐波畸变率减少了.气隙磁密基波幅值增加的不多为.但其他三个优化目标优化前后有大大减少 该方法可用于在已有的优化参数附近选取更小的范围并进一步对电机进行优化 结语本文针对转子带有导磁套的表贴式永磁电机为研究对象以齿槽转矩、反电动势谐波畸变率、气隙磁密谐波畸变率和气隙磁密基波幅值为优化目标以极弧系数、永磁体厚度、气隙、导磁套厚度和定子槽口宽度为优化参数采用 多目标优化方法得到各优化参数最佳组合 分析表明利用 方法可以高效的实现多参数、多目标优化根据各
12、参数在各性能指标下的比重可以快速得到综合性能最优的参数组合从而提高电机电磁设计优化的效率参考文献黄越.永磁同步电动机中谐波及其影响的研究.沈阳工业大学.黄晟任智杰黄科元等.永磁同步电动机气隙磁密优化方法研究.微电机 ():.王芳.表贴式永磁同步电机削极技术的研究.船电技术.武洁赵琴庄百兴 等.削弱永磁同步电机反电势谐波的磁极形状优化方法.微电机().徐伟马树元谭天汉.凸型 阵列的永磁直线电机磁场分析.微电机():.李延升窦满峰赵冬冬.磁钢充磁方式对表贴式永磁电机磁场影响分析.电机与控制学报 ().李延升窦满峰骆光照.不同充磁(下转 页)规格是 规格是.极对数是 并使用了 的滚子轴承它的外径为
13、内径为 滚动轴承节径 滚子数量 滚子的尺寸为 接触角 试验线路如图 所示图 实验接线图在图 中我们可以看到一个有缺陷的轴承它是用一台线切割机床在滚动轴承的外滚道上加工出一个.深、一个.深、一个 宽的沟槽以作为对滚动轴承外滚道的破坏它的严重程度可以分为“轻微”和“严重”两个等级（?）?a（?）?b图 故障轴承在同样的一台异步电动机上对轴承正常和上述两种条件下的轴承进行了测试并将异步电动机的负载状况设定为满载、半载、空载对其进行了转差率分别为 .、.、.并对其进行了采集对所测量到的数据展开了频谱分析 本文所提方法不但可以诊断出轻微的外滚道故障而且在异步电动机空载或轻载运行条件下仍然奏效 结语本文针
14、对感应电机外滚道出现的一种新的故障现象即定子电流中存在的一种频率调制成分对其成因进行了研究并将其应用到感应电机外滚道的故障诊断中()在外滚道故障下转子磁通会产生周期混杂从而使转子磁通中产生一组频率变换成分基于 调制成分的故障检测方法可用于 对及以上的电机而 对极时电机的 调制成分与基波(谐波)十分相近其频谱特征会被基波(谐波)所掩盖()与常规的 法相比该方法不仅能对微小(外滚道有.深度 沟槽)的外滚道外滚道进行诊断还能对感应电机在无负载和轻负载工况下进行有效的检测()对其它形式的滚动轴承故障进行诊断也具有一定的借鉴意义()在电机没有出现转子偏心的条件下提出了一种基于感应电机的故障诊断算法 感应电机转子离心区故障时如何判断其外滚道故障仍需深入探讨参考文献 宋向金王卓胡静涛等.解调制方法诊断异步电机轴承故障.电工技术学报():.侯新国刘开培卜乐平.感应电动机轴承故障检测的相关分析方法.电气传动():.作者简介:屈乐伟 男 年生毕业于中国农业大学电气工程及其自动化专业现从事电气工作.收稿日期:(上接 页)方式的对转永磁电机气隙磁场性能研究.四川大学学报(工 程 科 学 版)():./.贾金信杨向宇曹江华.基于田口法的内嵌式永磁电动机的优化设计.微电机():.作者简介:杨松 男 年生毕业于哈尔滨工业大学电机与电器专业现从事核级泵阀设计工作.收稿日期:
