永磁同步电机转矩特性的多目标优化设计

作     者：万丹丹 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘晓

授予年度：2020年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：Halbach阵列永磁同步电机 Maxwell有限元分析 参数化分析 隔断 

摘      要：永磁同步电动机（PMSM）满足高精度、低能耗和经济性的要求,永磁同步电机的研究中,转矩脉动率,平均输出转矩和功率质量比是非常重要的设计指标。表贴式永磁同步电机转子磁极采用Halbach永磁体阵列能够实现空载气隙磁场正弦度和磁密基波幅值的提高,有效降低气隙磁密谐波含量,且Halbach永磁体阵列的自屏蔽作用实现永磁体一侧聚磁效果,使转子背铁能够尽可能的薄,有助于提高功率质量比。传统的Halbach阵列结构是每个转子磁极平均分块,块与块之间紧密连接不留空隙,这就导致相邻两块永磁体之间的充磁方向的夹角给空载气隙磁密引入一部分谐波,且夹角越大,引入的谐波含量越多。因此,对于宽极弧的Halbach阵列永磁同步电机,对于抑制这部分谐波的研究至关重要。本文针对永磁同步电机的多目标优化设计开展研究工作,主要包括以下几个方面:首先,提出内弧偏心极间隔断式Halbach阵列,并对电机模型的转矩脉动和平均输出转矩进行优化。内弧偏心结构在不改变气隙的均匀性的同时,提高空载气隙磁密基波幅值;相对于传统的Halbach阵列电机,极间隔断式Halbach阵列极弧系数和充磁角度可调,可从降低空载气隙磁密谐波含量角度对极弧系数和充磁角度进行调节,降低气隙磁密的谐波畸变率,有效优化转矩脉动,经过多目标优化分析,达到同时降低转矩脉动和提高输出转矩的目标。其次,提出三角形块间隔断和均匀块间隔断Halbach阵列结构,对电机模型的转矩脉动率和转矩转子质量比进行优化。相对于传统的Halbach阵列,本文提出的三角形和均匀气隙块间隔断式Halbach阵列能够有效改善空载气隙磁密的波形,抑制由于永磁体块充磁角度的差异引起的气隙磁密谐波,从而对转矩脉动有极好的改善作用。然后,提出一种非均匀隔断的Halbach阵列结构,对电机模型的转矩脉动率和输出平均转矩进行优化。基于正交实验参数灵敏度的分析对比了各关键设计参数对电机有限元模型的齿槽转矩、平均输出转矩、转矩脉动和转矩脉动率四个性能指标的影响,基于MATLAB建立了平均转矩或转矩脉动率分别和结构设计参数之间的数学模型,并采用正交试验的结果对数学模型的准确度和可靠性进行了验证。经过NSGA-II全局优化,验证了本文提出的非均匀分块Halbach阵列对电机转矩性能的改善作用。最后,通过对几种优化设计方案的对比分析得知,内弧偏心极间隔断式Halbach、三角形块间隔断和均匀块间隔断Halbach以及非均匀隔断的Halbach阵列结构转矩脉动率由径向充磁电机的18.6%降低至1.56%～2.45%,且功率质量比由径向充磁电机的0.4412k W/kg提高至0.5173k W/kg～0.5349k W/kg,相较于传统径向充磁有极大的改善。本文所做的优化设计的研究为永磁同步电机电机设计和优化提供了一套完整的流程参考,并对电机转矩特性提供了新的优化方法,对基于Halbach阵列、极弧较宽的永磁同步电机转矩特性的优化设计研究具有重要的意义。