北京kok体育苹果版电机有限公司
Beijing  YongGuang  Micro-Motor  Manufacturing  Co.,Ltd.
 
新闻详情

永磁同步电动机空载气隙永磁磁密波形优化

来源:北京kok体育苹果版电机有限公司作者:李利网址:浏览数:4566

 摘要:对内置式磁体结构永磁同步电动机的空载气隙永磁磁密波形进行了分析研究,提出采用不均匀气隙方法改善其波形分布,并采用模拟退火算法进行优化设计。电磁场的数值计算及实测结果表明,通过优化偏心设计,永磁同步电动机的空载气隙磁密波形得到了很好的改善。

l引  言

   永磁同步电动机以其高效、高转矩密度、低振动噪声的性能特点而被应用于电动汽车驱动。永磁同步电动机的理想运行是正弦分布的电机电流与正弦分布的气隙永磁磁密相互作用。尽管对矢量控制的永磁同步电动机来说,电机电流的正弦性能够保证,但是由于永磁同步电机本身的磁路结构特点,其永磁磁密波形却远非正弦分布,而是梯形波分布,这无疑降低了其性能。

   为此,众多学者对永磁同步电动机的永磁磁密波形进行了优化设计,但这些文献主要针对表面式磁体结构(包括外转子)电机,进行磁体形状的优化,文献[4]通过减少表面插入式磁体结构磁体表面的极弧系数获得尽可能好的永磁磁密波形;但是电动汽车驱动用的永磁同步电动机广泛采用内置式磁体结构,而非表面式和插入式,文献[5]分析了内置式磁体结构永磁同步电动机的极弧系数、永磁体充磁方向及隔磁桥尺寸对永磁磁密波形的影响,但仅靠这些措施无法得到理想酌正弦分布的永磁磁密波形。

   对内置式磁体结构永磁同步电动机的转子外圆形状尺寸进行全局优化设计,可得到理想的永磁磁密波形,但这样作既没有必要也不现实;为此借用电励磁凸极同步电动机的磁极形状偏心造成不均匀气隙的方法对永磁同步电动机的永磁磁密进行优化。显然,由于永磁同步电动机具有电励磁凸极同步电动机不同的磁路结构,无法直接引用电励磁电机不均匀气隙的设计准则,只能采用电磁场的数值计算方法进行分析设计;而且,永磁同步电动机的永磁磁密波形不但受转子外圆偏心的影响,还受其他众多因素的影响。为得到非常理想的永磁磁密波形.必须对其优化设计,这一优化设计是一单目标函数、多设计变量、多约束函数的非线形的优化设计,本文采用模拟退火算法进行优化设计。

2转子外圆偏心对永磁磁密波形的影响

     图1 永磁同步电动机均匀气隙结构

   图1为普通内置式磁体永磁同步电动机的结构示意图,其永磁磁密波形如图2所示,呈梯形波分布,含有丰富的谐波分量,这必然导致附加的振动噪声,并使电机的损耗增加,效率降低。

    图2永磁同步电动机空载气隙永磁磁密波形

   参照电励磁同步电动机的偏心气隙结构,永磁同步电动机的偏心气隙结构如图3所示。在电机的其他尺寸不变时,偏心电机永磁磁密基波、3次谐波、5次谐波分量与电机的极弧系数α及偏心相对距离2d∥Dil之间的关系如图4所示?梢钥闯觯

 图3永磁同步电动机的不均匀气隙结构

    图4转子外圆偏心对基波、3次及5次谐波的影响

   (1)对于较大极弧系数电机,增大电机转子外圆的偏心,将有助于提高电机的基波永磁磁密;

   (2)随2d/Dil的增大.对于不同极弧系数α,Bm3/Bm1都有一个先下降后增加的变化规律,随α的增大,发生最小Bm3/Bml时的2d/Dil值变大,从而导致在可变2d/Di1范围内,高α电机,Bm3/Bml随2d∥Di1的增大而降低,低α电机,Bm3/Bml随2d/Di1的增大而增大,而具有中间α的电机,Bm3/Bml随2d/Di1的增大有明显的先下降后增大的变化规律。

   (3)在α较小时,随2d/Di1的增大,Bm5/Bml下降,在α较大时,这一下降趋势不明显;可以说偏心对5次谐波影响较小。值得注意的是,在相同2d/Di1下,小的α值电机,有大的Bm5/Di1,随α的增大,Bm5/Bml先变小,但当α很大时(α>O .9),Bm5/Bml反而又增大。

   尽管大的永磁体极弧可产生高的基波磁密,但同样产生很高的3次谐波磁密,而且由于受转子机械强度的制约,无法采用大的偏心降低3次谐波,同时太大的永磁体极弧,产生较大的无法用偏心降低的5次谐波磁密;太小的永磁体极弧.首先不能满足基波磁密要求,其次产生较大的5次谐波磁密,该5次谐波磁密难以通过偏心有效消除。

3永磁磁密波形优化设计

3. l优化数学模型及模拟退火优化设计    

   针对确定的电机定子内径,电机永磁磁密波形与永磁体的极弧系数及转子外圆偏心距离有关,显然也与电机隙长度,护环长度及永磁体磁化方向长度有很大关系,同时转子外圆的偏心设计必须考虑电机的机械强度,因此这一内置转子磁体结构永磁同步电动机气隙永磁密波形的优化应是单目标、多设计变量、有约束的几何形状优化设计,其优化数学模型为:  (1)式中:B1,Bi一分别为基波和谐波永磁磁密幅值,B10为所

   要求的电机气隙基波永磁磁密幅值;δ,α,hm,d,Lh一分别为气隙长度、永磁体极弧系数、永磁体磁化方向长度、转子外圆偏心距离和永磁体护环铁心最大厚度;w一永磁体铁心护环处最小径向长度,表示为:  w10一考虑机械强度所要求的w最小值。

   本文采用模拟退火算法求解上述优化问题,模拟退火算法是一种随机的搜索方法。它的基本原理是:设极小优化问题中目标函数第k和k+1次的计算值分别为fk和fk+1,如果,fk+1<fk,则新点xk+l被接受,算法从xk+1开始进行下一次迭代,直到满足给定的收敛判据;否则,作随机处理,新点的接受与否由exp(一Δf/T)>r(其中r为(0,t)上均匀分布的随机数,Δf= fk+1一fk,T为控制参数)决定,若条件成立,xk+1也被接受,反之则被放弃。在实施这一优化时,应注意以下问题:

   (1)由于转子外圆的偏心对齿谐波影响较小,因此目标函数的计算未考虑齿谐波,即在磁场计算时将电机 槽闭口,而齿谐波的削弱通过定子斜槽解决。

   (2)为快速找到全局最优点,要根据前述分析的3、5次永磁磁密谐波的变化规律,及所要求的最低永磁磁密基波值,尽可能减小优化变量的取值范围。根据表面式磁体结构的分析,内置瓦片式磁体极弧应满足下式:  (2)式中:Br一永磁体的剩磁密度。

   (3)尽量避免不必要的计算,对于新产生的设计点,先校验其机械强度约束,对不满足机械强度约束的点可直接去除。

3 2样机的优化设计

    对一台7.5kw电动汽车驱动用内置式磁体结构永磁同步电动机进行气隙永磁磁密波形的优化设计,得到如图5a所示的计算永磁磁密波形磁密波形。设计约束条件为:w≥l_5mm,B1≥0 .78T,优化变量最终结果为:α=0.82.Lh=2.5mm,δ=O.65mm,hm=4. Omm,d=7.Omn (样机定子为感应电机Y112M一6定子铁心),优化目标为4%;图5b为样机不采取转子外圆偏心时永磁磁密波形计算结果,具有25%的波形系数。 图6为样机有无转子偏心永磁磁密的实测波形,可以看出,实测波形与计算波形吻合很好,转子偏心可得到良好的永磁磁密波形。

 图5  PMSM电机转子外圆偏心前后计算永磁磁密波形比较

 图6PMSM电机转子外圆偏心前后实测永磁磁密小型比较

4结论

   为进一步提高永磁同步电动机的效率、降低其振动噪声,使其更适合于电动汽车的驱动,应对其永磁密波形进行优化设计。本文在分析内置式磁体结构永磁同步电动机气隙永磁波形的基础上,采用模拟退火优化算法,对其进行优化设汁。样机的计算及实测结果证明.经过转子外圆的优化偏心设计,内置式磁体结构永磁同步电动机的气隙永磁磁密波形得到较好的改善。

联系方式
 
 
 工作时间
周一至周五 :8:00-17:00
 联系方式
于海腾:010-83971821
姜宇:010-83510840
周围:010-61402950