低转矩脉动磁阻电机结构分析与设计研究

作     者：刘乾宇 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘成成

授予年度：2022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：同步磁阻电机 开关磁阻电机 低转矩脉动 磁障形状优化 结构优化 

摘      要：磁阻电机因结构简单,调速范围宽,且无需永磁体励磁,相比永磁电机具有成本低、可靠性高等优势。尽管磁阻电机具有诸多优点,但其固有的转矩脉动大(导致振动和噪声大)等缺点,很大程度上制约了磁阻电机的应用和发展,因此提高磁阻电机的转矩性能十分重要。针对该问题本文以降低同步磁阻电机和开关磁阻电机的转矩脉动为主要目标展开理论分析和优化设计研究,并对优化结果进行对比分析。本文在同步磁阻电机方面的主要研究内容如下:首先,建立同步磁阻电机的数学模型,分析其基本工作原理,确定其主要结构参数。同步磁阻电机遵循最小磁阻原理产生磁阻转矩,其直交轴磁路的磁阻变化会引起转矩脉动,因而影响其直交轴磁路磁阻的电机结构的设计尤为重要。为此,本文重点研究了同步磁阻电机的磁障形状与气隙形状设计方法,提出了采用分段线性插值法建立同步磁阻电机磁障形状、转子表面槽形状以及定子齿顶槽形状。分析表明,采用该方法能够遍历同步磁阻电机的主要结构设计。其次,以减小转矩脉动提高平均输出转矩为优化目标,为获得定转子各参数的最优值,解决同步磁阻电机形状设计中涉及的高维参数优化计算量大的问题,本文提出了序贯田口稳健优化方法和拟牛顿优化方法相结合的多目标优化方法,有效减少了优化所需有限元计算次数,缩短了优化所需时间。最后,以优化后的传统同步磁阻电机为标准,分析对比本文提出的对主要结构进行形状优化设计同步磁阻电机的转矩、损耗、效率、功率因数等性能。并对主要结构进行形状优化同步磁阻电机进行机械应力与应变分析,验证本文提出方法的有效性。在开关磁阻电机方面的主要研究内容为:从电机结构优化的角度研究了减小开关磁阻电机转矩脉动的方法,基于对其基本工作理论、数学模型的分析进行结构优化设计。具体以减小转矩脉动为目标对开关磁阻电机的六种不同结构进行优化设计,分别为:定子极双侧带楔形角结构、定子极心偏移结构、转子极双侧带圆弧角结构、转子极不等宽结构、转子两段斜极结构、转子三段斜极结构。以降低转矩脉动提高平均转矩为优化目标,应用拟牛顿优化方法对结构优化设计的开关磁阻电机进行多目标优化。以优化后的传统开关磁阻电机的转矩性能为依据,分析对比不同结构对开关磁阻电机转矩性能的影响,验证结构优化设计在转矩脉动抑制方面的有效性。