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永磁同步電動機空載氣隙永磁磁密波形優化

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.myanmarbdc.com瀏覽數:4553

 摘要:對內置式磁體結構永磁同步電動機的空載氣隙永磁磁密波形進行了分析研究,提出采用不均勻氣隙方法改善其波形分布,并采用模擬退火算法進行優化設計。電磁場的數值計算及實測結果表明,通過優化偏心設計,永磁同步電動機的空載氣隙磁密波形得到了很好的改善。

l引  言

   永磁同步電動機以其高效、高轉矩密度、低振動噪聲的性能特點而被應用于電動汽車驅動。永磁同步電動機的理想運行是正弦分布的電機電流與正弦分布的氣隙永磁磁密相互作用。盡管對矢量控制的永磁同步電動機來說,電機電流的正弦性能夠保證,但是由于永磁同步電機本身的磁路結構特點,其永磁磁密波形卻遠非正弦分布,而是梯形波分布,這無疑降低了其性能。

   為此,眾多學者對永磁同步電動機的永磁磁密波形進行了優化設計,但這些文獻主要針對表面式磁體結構(包括外轉子)電機,進行磁體形狀的優化,文獻[4]通過減少表面插入式磁體結構磁體表面的極弧系數獲得盡可能好的永磁磁密波形;但是電動汽車驅動用的永磁同步電動機廣泛采用內置式磁體結構,而非表面式和插入式,文獻[5]分析了內置式磁體結構永磁同步電動機的極弧系數、永磁體充磁方向及隔磁橋尺寸對永磁磁密波形的影響,但僅靠這些措施無法得到理想酌正弦分布的永磁磁密波形。

   對內置式磁體結構永磁同步電動機的轉子外圓形狀尺寸進行全局優化設計,可得到理想的永磁磁密波形,但這樣作既沒有必要也不現實;為此借用電勵磁凸極同步電動機的磁極形狀偏心造成不均勻氣隙的方法對永磁同步電動機的永磁磁密進行優化。顯然,由于永磁同步電動機具有電勵磁凸極同步電動機不同的磁路結構,無法直接引用電勵磁電機不均勻氣隙的設計準則,只能采用電磁場的數值計算方法進行分析設計;而且,永磁同步電動機的永磁磁密波形不但受轉子外圓偏心的影響,還受其他眾多因素的影響。為得到非常理想的永磁磁密波形.必須對其優化設計,這一優化設計是一單目標函數、多設計變量、多約束函數的非線形的優化設計,本文采用模擬退火算法進行優化設計。

2轉子外圓偏心對永磁磁密波形的影響

     圖1 永磁同步電動機均勻氣隙結構

   圖1為普通內置式磁體永磁同步電動機的結構示意圖,其永磁磁密波形如圖2所示,呈梯形波分布,含有豐富的諧波分量,這必然導致附加的振動噪聲,并使電機的損耗增加,效率降低。

    圖2永磁同步電動機空載氣隙永磁磁密波形

   參照電勵磁同步電動機的偏心氣隙結構,永磁同步電動機的偏心氣隙結構如圖3所示。在電機的其他尺寸不變時,偏心電機永磁磁密基波、3次諧波、5次諧波分量與電機的極弧系數α及偏心相對距離2d∥Dil之間的關系如圖4所示??梢钥闯觯?/span>

 圖3永磁同步電動機的不均勻氣隙結構

    圖4轉子外圓偏心對基波、3次及5次諧波的影響

   (1)對于較大極弧系數電機,增大電機轉子外圓的偏心,將有助于提高電機的基波永磁磁密;

   (2)隨2d/Dil的增大.對于不同極弧系數α,Bm3/Bm1都有一個先下降后增加的變化規律,隨α的增大,發生最小Bm3/Bml時的2d/Dil值變大,從而導致在可變2d/Di1范圍內,高α電機,Bm3/Bml隨2d∥Di1的增大而降低,低α電機,Bm3/Bml隨2d/Di1的增大而增大,而具有中間α的電機,Bm3/Bml隨2d/Di1的增大有明顯的先下降后增大的變化規律。

   (3)在α較小時,隨2d/Di1的增大,Bm5/Bml下降,在α較大時,這一下降趨勢不明顯;可以說偏心對5次諧波影響較小。值得注意的是,在相同2d/Di1下,小的α值電機,有大的Bm5/Di1,隨α的增大,Bm5/Bml先變小,但當α很大時(α>O .9),Bm5/Bml反而又增大。

   盡管大的永磁體極弧可產生高的基波磁密,但同樣產生很高的3次諧波磁密,而且由于受轉子機械強度的制約,無法采用大的偏心降低3次諧波,同時太大的永磁體極弧,產生較大的無法用偏心降低的5次諧波磁密;太小的永磁體極?。紫炔荒軡M足基波磁密要求,其次產生較大的5次諧波磁密,該5次諧波磁密難以通過偏心有效消除。

3永磁磁密波形優化設計

3. l優化數學模型及模擬退火優化設計    

   針對確定的電機定子內徑,電機永磁磁密波形與永磁體的極弧系數及轉子外圓偏心距離有關,顯然也與電機隙長度,護環長度及永磁體磁化方向長度有很大關系,同時轉子外圓的偏心設計必須考慮電機的機械強度,因此這一內置轉子磁體結構永磁同步電動機氣隙永磁密波形的優化應是單目標、多設計變量、有約束的幾何形狀優化設計,其優化數學模型為:  (1)式中:B1,Bi一分別為基波和諧波永磁磁密幅值,B10為所

   要求的電機氣隙基波永磁磁密幅值;δ,α,hm,d,Lh一分別為氣隙長度、永磁體極弧系數、永磁體磁化方向長度、轉子外圓偏心距離和永磁體護環鐵心最大厚度;w一永磁體鐵心護環處最小徑向長度,表示為:  w10一考慮機械強度所要求的w最小值。

   本文采用模擬退火算法求解上述優化問題,模擬退火算法是一種隨機的搜索方法。它的基本原理是:設極小優化問題中目標函數第k和k+1次的計算值分別為fk和fk+1,如果,fk+1<fk,則新點xk+l被接受,算法從xk+1開始進行下一次迭代,直到滿足給定的收斂判據;否則,作隨機處理,新點的接受與否由exp(一Δf/T)>r(其中r為(0,t)上均勻分布的隨機數,Δf= fk+1一fk,T為控制參數)決定,若條件成立,xk+1也被接受,反之則被放棄。在實施這一優化時,應注意以下問題:

   (1)由于轉子外圓的偏心對齒諧波影響較小,因此目標函數的計算未考慮齒諧波,即在磁場計算時將電機 槽閉口,而齒諧波的削弱通過定子斜槽解決。

   (2)為快速找到全局最優點,要根據前述分析的3、5次永磁磁密諧波的變化規律,及所要求的最低永磁磁密基波值,盡可能減小優化變量的取值范圍。根據表面式磁體結構的分析,內置瓦片式磁體極弧應滿足下式:  (2)式中:Br一永磁體的剩磁密度。

   (3)盡量避免不必要的計算,對于新產生的設計點,先校驗其機械強度約束,對不滿足機械強度約束的點可直接去除。

3 2樣機的優化設計

    對一臺7.5kw電動汽車驅動用內置式磁體結構永磁同步電動機進行氣隙永磁磁密波形的優化設計,得到如圖5a所示的計算永磁磁密波形磁密波形。設計約束條件為:w≥l_5mm,B1≥0 .78T,優化變量最終結果為:α=0.82.Lh=2.5mm,δ=O.65mm,hm=4. Omm,d=7.Omn (樣機定子為感應電機Y112M一6定子鐵心),優化目標為4%;圖5b為樣機不采取轉子外圓偏心時永磁磁密波形計算結果,具有25%的波形系數。 圖6為樣機有無轉子偏心永磁磁密的實測波形,可以看出,實測波形與計算波形吻合很好,轉子偏心可得到良好的永磁磁密波形。

 圖5  PMSM電機轉子外圓偏心前后計算永磁磁密波形比較

 圖6PMSM電機轉子外圓偏心前后實測永磁磁密小型比較

4結論

   為進一步提高永磁同步電動機的效率、降低其振動噪聲,使其更適合于電動汽車的驅動,應對其永磁密波形進行優化設計。本文在分析內置式磁體結構永磁同步電動機氣隙永磁波形的基礎上,采用模擬退火優化算法,對其進行優化設汁。樣機的計算及實測結果證明.經過轉子外圓的優化偏心設計,內置式磁體結構永磁同步電動機的氣隙永磁磁密波形得到較好的改善。

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