直线磁场调制电机优化设计

作     者：王雨桐 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘晓

授予年度：2021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：直线磁场调制电机 Maxwell有限元分析 参数化分析 优化设计 

摘      要：永磁直线电机的广泛应用体现出电机自身结构的多变、简单等优势。但随着推广出的高速物流、无绳电梯等新型领域应用,电机的制造技术与设计加工的局限性使系统制造材料成本急剧增加,系统维护的工作量也不容忽视。解决这些弊端的直线磁场调制电机(Magnetic-Geared Flat Linear Machine,MGFLM)却因较低的功率因数严重制约了在长行程直线牵引系统中的应用。本文针对直线磁场调制电机优化设计开展研究工作,以提高电机功率因数为目的,主要研究内容有以下几个方面:首先,从直线磁场调制电机工作原理入手,推导气隙磁密、功率因数和平均推力的解析方程,梳理其中变量对电机基本物理量的影响。基本确定了永磁体分布、永磁体极对数、等效绕组极对数、齿靴宽度、调磁块结构和电流激励初始相位角等参数为影响推力特性和功率因数的主要变量。其次,将应用Ansys Maxwell软件仿真获得的端电压波形数据应用至解析计算中得到输入电压波形。采用FFT方法分解电机的输入电压、电流,计算基波相角差余弦值,进而得到功率因数值。然后,研究MGFLM各结构变量对推力特性和功率因数的影响。采用Halbach永磁阵列的MGFLM相比法向充磁的MGFLM气隙磁密基波含量升高2.74%,各次谐波含量普遍降低,功率因数也从0.497提高到0.649。在较合适的磁极组合下,功率因数可以达到0.762,平均推力却降低了14.3%。此外,矩形、椭圆和梯形三种形状调磁块相比,梯形调磁块的调磁效果最好,其次是矩形;分析左右两侧曲边的矩形调磁块,左侧边外凸,右侧边内凹的形状下,磁力线更多的分布在调磁块中,此时的功率因数和平均推力均较大,推力波动几乎不变。最后,为研究变量间相关关系,又对结构变量进行敏感性分析,得出各敏感因子比重,其中永磁比、调磁块左侧曲边半径长对功率因数影响较大,调磁块上边长、极靴齿宽对平均推力的影响较大。以功率因数为目标函数,平均推力为边界条件,应用NSGAⅡ算法进行优化获得Pareto前沿。同时应用另一种Box-Behnken优化方法展开分析。对这两方法得到的最终优化方案对比,得出NSGAⅡ优化方案的平均推力有415.9N,较法向充磁直线磁场调制电机平均推力降低了4.2%,Box-Behnken优化方案平均推力有410.4N,降低了4.2%,两方案功率因数相差不大,均在0.72左右,分别提高了45.1%和44.9%。又结合电机正反转特性,选取正转反转平均推力相差较小的Box-Behnken优化方案为最终方案。本文所做的优化设计研究为磁场调制电机设计及优化提供了一套完整的流程参考,并对电机功率因数优化提供了新的思路,对用于长行程的磁场调制电机功率因数的提高研究具有重要意义。