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  • 极间隔断Halbach型磁钢永磁同步电机多目标优化设计

  • 内容出处:http://www.cnkery.com时间2013-10-26 02:32作者admin浏览次数
 
摘要以降低加工难度与优化气隙磁通密度为目标,设计了表贴式极间隔断Halbach型磁钢 的永磁同步电机,系统分析了极间隔断Halbach型磁钢参数对气隙磁通密度波形的影响。针对该 类磁钢的参数,即磁钢极角和充磁夹角对基波幅值和正弦性畸变率都有影响的特点,提出了对磁 钢参数进行多目标优化的方法,设计了以获得基波幅值极大值与正弦性畸变率极小值为多目标的 混合全局优化算法,在此基础上,提出了最佳极间隔断Halbach型磁钢参数的选择方法。仿真与 实验验证了优化结果选择方法的正确性,进一步验证了极间隔断Halbach型磁钢性能的优越性。
 
关键词:极间隔断Halbach型磁钢永磁同步电机气隙磁通密度多目标优化
 
i引言
 
伺服系统中的永磁同步电机(PMSM)需要具 有正弦分布的气隙磁通密度波形;另外,气隙磁通
收稿日期2008-12-20 改稿日期2009-04-05
密度的基波幅值必须足够大以使PMSM获得更高 的功率密度。所以,设计电机时需综合考虑气隙磁 通密度基波幅值及其波形的正弦性。影响PMSM气 隙磁通密度的主要因素有磁钢、定子齿槽、气隙长 度、铁心材料等,其中磁钢的影响最为主要。Halbach 型磁钢经合理设计,可获得比常规磁钢结构更高的
 
气隙磁通密度基波幅值,并可获得更加正弦的气隙 磁通密度波形[1][2]。
 
国外已对采用Halbach型磁钢的PMSM做了深 入研究,主要应用在高速飞轮驱动电动机、主轴驱 动电动机以及无转子铁心电机等⑴,国内近年也开 展对其的研究,主要应用为储能飞轮无铁心电机、 盘式无铁心电机以及球形电机[3_6]。但以上一些应用 主要是高速场合或百瓦级,作为伺服系统中的中速 千瓦级的PMSM, Halbach型磁钢未得到广泛应用。 考虑到降低加工难度,伺服系统中的PMSM转子磁 钢极间有定位隔断,传统的Halbach型磁钢无法应 用,须将每极间的定位隔断相关角度作待优化参数 之一,对Halbach型磁钢进行优化设计。由于气隙 磁通密度波形不仅影响电机噪声振动、齿槽转矩, 而且直接影响电机出力,以气隙磁通密度作为优化 目标具有重要的意义。但磁钢参数与气隙磁通密度 波形参数之间交叉影响,设计磁钢时需综合考虑气 隙磁通密度的多个性能指标,类似于文献[7-8]的对 磁钢的单目标优化不足以获得性能的综合提升,需 要对磁钢进行多目标优化。
 
本文系统分析了 Halbach型磁钢的表贴式永磁 同步电机磁钢极角和充磁夹角变化对气隙磁通密度 波形的影响。针对磁钢参数不仅影响气隙磁通密度 基波幅值,而且影响气隙磁通密度波形正弦性的特 点,设计了极间隔断Halbach型磁钢参数优化的多 目标混合全局优化算法。通过仿真与实验的方法, 对比分析了传统Halbach型与优化后极间隔断 Halbach型磁钢的性能,多目标优化的结果使得 PMSM性能得到全面提升。
 
2极间隔断Halbach型磁钢参数分析
 
对于Halbach型磁钢构成的PMSM,每极磁块 数越多,气隙磁通密度波形的正弦性越好,但结构 及制造工艺越复杂m。综合考虑气隙磁通密度波形 与制造工艺的复杂程度,分析8极转子、单极三片 磁钢构成的PMSM。传统Halbach型磁钢构成的转 子截面如图la所示,考虑到降低转子磁钢装配难 度,应用于数控机床伺服系统中的PMSM在每极磁 钢间有定位隔断,这种情况下应用Halbach型磁钢 构成的转子截面如图lb所示,针对图lb所示转子 的PMSM进行分析,样机主要参数见表1
 
Tab. 1 Main parameters of PMSM
参 数 数值 参 数 数值
额定功率/kW 1 最小气隙/mm 1
额定转速/(r/min) 2500 转子极数 8
定子外径/mm 102 铁心长度/mm 60
定子内径/mm 64 磁钢材料 N35SH
定子槽数 18 冲片材料 DW470-50
 
2.1磁钢厚度对气隙磁通密度波形的影响
针对表1的PMSM,传统的Halbach型磁钢极 角为45°、充磁夹角为45°,本文分析的电机磁钢 有极间隔断,保持磁钢极角为42°,充磁夹角为45° , 厚度在26mm之间变化,经有限元分析获得随磁 钢厚度变化的气隙磁通密度波形。通过Matlab的快 速傅里叶分析函数fft ()对气隙磁通密度波形进行 谐波分析,获得气隙磁通密度的基波幅值Sml以及 各次谐波幅值,利用如式(1)的气 隙磁通密度正弦性畸变率来表示气隙磁通密度 波形的正弦性。
 
 
得到磁钢厚度与气隙磁通密度基波幅值及波形 正弦性畸变率欠B的关系曲线如图3所示。由图3 可见,磁钢厚度对知的影响不大;基波幅值随着磁 钢厚度的增加而增加,在厚度小于3mm时基波幅值 较小,在厚度大于5mm后变化率逐渐降低。所以磁 钢厚度宜在35mm之间选择。
磁钢厚度/mm
(a)磁钢厚度与基波幅值关系 (b)磁钢厚度与正弦畸变率关系 图3磁钢厚度与气隙磁通密度的关系曲线 Fig.3 Magnet-thickness versus air-gap flux density 2.2磁钢极角与充磁夹角对气隙磁通密度波形的 影响
 
保持厚度为4.5mm,磁钢极角在30°45°之 间变化,充磁夹角在0°60°之间变化。经有限元 分析得磁钢极角与充磁夹角变化得到气隙磁通密度 波形,通过谐波分析,得到充磁夹角、磁钢极角与 气隙磁通密度基波幅值及波形正弦性畸变率知的 关系曲线如图4所示。
图4磁钢极角和充磁夹角与气隙磁通密度的关系曲线 Fig.4 Pole angle and charging included angle versus air-gap flux density
 
由图4a可见任意相同极角情况下,气隙磁通密 度基波幅值总体随着充磁夹角的增加而降低;如图 4b所示在磁钢极角小于36°的情况下,尤B随着充磁 夹角的增加而增加,在磁钢极角大于36°的情况下, A:b随着充磁夹角的增加先降低后增加,并在极角 42°、充磁夹角为35°左右时&达到最小值。为同 时满足具有足够大的气隙磁通密度基波幅值以及足 够小的知,磁钢极角宜在39°45°之间选择。欲 获得ATB的最小值,对应磁钢极角的不同,充磁夹角 的选择亦不同。如磁钢极角39°时,充磁夹角宜为
25°左右;磁钢极角42°时,充磁夹角宜为35°左右; 磁钢极角45°时,即传统Halbach型磁钢的充磁夹 角宜为45°左右。以上几个/TB最小点对应的基波幅 值见表2。由表2可见这些点的基波幅值基本一致, 知的最小值随着磁钢极角的增加先降低后增加,且 传统Halbach型磁钢没有另外两种极间隔断 Halbach型磁钢性能优越,可见该类PMSM如应用 传统Halbach型磁钢性能并非最优。
 
表2不同极角对应的波形正弦性畸变率最小点 Tab.2 Relative minimum of KB corresponding different pole angle of magnet
磁钢极角/ (°) 充磁夹角/ (°) 基波幅值/T 畸变率尤B (%)
39 25 1.0772 15.53
42 35 1.0705 14.15
45 45 1.0701 16.18
 
3极间隔断Halbach型磁钢参数的多目标 优化
 
通过极间隔断Halbach型磁钢参数对气隙磁通 密度波形影响的研究,可见磁钢参数变化时,气隙 磁通密度的基波幅值与波形正弦性畸变率都随之变 化,需要这两者同时作为优化目标,对磁钢参数进 行多目标优化,采用表面响应模型与微粒群算法混 合的全局优化算法是一种有效的方法。
 
3.1表面响应模型与微粒群算法的混合全局多目 标优化算法
 
表面响应模型(RSM)构建优化空间在电磁优 化领域得到较好的应用11*^11],由于表面响应模型可 由较少的采样点构建,所以模型建立前的有限元计 算工作量大大降低,提高了工作效率。本文所用的 RSM是基于径向基函数(RBF)构造的。基本原理 如下[12]:
 
本文链接:http://www.cnkery.com/xinwendongtai/2013/1026/112.html
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