内置式永磁同步电机(内置式永磁同步电机特点)

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内置式永磁同步电机(内置式永磁同步电机特点)

征稿|第四届轨道交通电气与信息技术国际学术会议

征稿|中国电工技术学会电机与系统学报(英文季刊)

摘要

江苏大学电气信息工程学院、江苏省电动车辆驱动与智能控制重点实验室的研究人员刘国海、王艳阳等,在《电工技术学报》2018年增刊2上撰文,为降低电机转矩脉动,首先提出一种五相40槽8极的非对称V型内置式永磁同步电机。

在此基础上,为准确获取电机的最优参数值,提升电机转矩性能,以降低转矩脉动和提高输出转矩为优化目标,提出一种基于参数分层设计与响应曲面法相结合的多目标优化方法。通过分析优化前后非对称电机的电磁性能可知,采用改进后的非对称转子结构能有效降低电机转矩脉动。

与非对称、偏移极转子结构样机相比,所提出的基于多目标优化方法设计的非对称V型内置式永磁同步电机能够在降低转矩脉动的同时提高转矩密度。

随着永磁材料的发展与性能的不断提升,永磁电机得到了广泛的应用。永磁电机具有结构简单、高输出转矩、高功率密度、高效率等优点。内置式永磁同步电机(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)的转子结构具有凸极性,因而具备宽调速范围,目前已被成功应用于新能源电动汽车、航空航天等领域中。但内置式的转子结构也会产生齿槽转矩,导致转矩脉动上升,产生机械振动与噪声,影响其运行性能。

近年来,如何降低内置式永磁同步电机转矩脉动的问题受到了国内外学者的关注。降低转矩脉动的方法一般可分为改进电机控制算法和优化电机结构参数两种。从控制算法的角度,文献[4]在励磁绕组上增加q轴谐波电流,产生一个额外转矩来抑制齿槽转矩,进而降低转矩脉动,但系统的复杂程度会随之增加。

从电机结构改进的角度,文献[5]采用分数槽绕组,可有效减少高次谐波,降低齿槽转矩,从而抑制电机转矩脉动的产生,但该方法只能削弱齿槽转矩中的部分谐波。英国Z. Q. Zhu教授提出定子斜槽,可大幅降低齿槽转矩与空载反电动势的谐波畸变率,不足之处在于牺牲了电机的输出转矩。

此外,还可采用转子斜极,在定子齿上增加辅助槽,选择合适的槽极配比等方法降低转矩脉动。文献[10]通过采用偏移非对称转子极的方法,可同时有效抑制永磁转矩、磁阻转矩和齿槽转矩的脉动,但制造工艺复杂,且电机的输出转矩有所降低。

除了电机结构的改进,还可通过优化算法来确定电机的设计参数值,从而提升电机的电磁性能。传统的优化方法多借助有限元仿真软件进行单目标优化,计算量大,参数间的相互影响易被忽略,难以获取最佳参数值。

为实现电机的高性能优化设计,文献[11]提出了Taguchi优化方法,该方法可大幅减少仿真计算量,但其最优值的选取具有一定局限性。目前,常用智能优化算法[12,13]来实现电机的多目标优化设计,如遗传算法、模拟退火算法、NSGA-II,虽具有良好的全局搜索能力,但不能完全实现自适应的遗传优化。

本文提出一种非对称V型内置式永磁同步电机,以降低电机转矩脉动和提高电机输出转矩为优化目标,提出一种参数分层设计与响应曲面法相结合的多目标优化方法,可准确获取电机的最优参数值,实现电机的高性能优化设计。与非对称、偏移极转子结构样机相比,所提出的基于多目标优化方法设计的非对称V型内置式永磁同步电机不仅降低了转矩脉动,还可有效提升转矩密度。

内置式永磁同步电机(内置式永磁同步电机特点)

图1 非对称V型内置式永磁同步电机模型结构

内置式永磁同步电机(内置式永磁同步电机特点)

图2 非对称V型内置式永磁同步电机细节参数优化模型

内置式永磁同步电机(内置式永磁同步电机特点)

图8 样机的定、转子结构及实验平台

结论

本文提出了一种非对称V型内置式永磁同步电机,以降低转矩脉动和提升输出转矩为优化目标,采用参数分层设计与响应曲面法相结合的方法,可快速、高效、准确地获取电机参数值。

仿真对比分析优化前后电机的电磁性能,验证优化后的非对称转子结构可有效降低转矩脉动。传统非对称、偏移极转子结构样机虽然可大幅降低转矩脉动,但在磁极偏移过程中,其转矩损失较大,且制造工艺复杂。

结合样机实验,所提出的基于多目标优化方法设计的非对称电机不仅结构简单,而且电机性能大幅提升。

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