利用不均勻氣隙優(yōu)化自起動永磁電機(jī)的氣隙磁密波形
陳超1， 劉明基1， 張健1， 陳偉華2， 羅應(yīng)立1
（1華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京102206；2上海電科電機(jī)科技有限公司，上海200063）
摘 要：為了減小空載氣隙磁場中諧波磁場對電機(jī)性能的影響，對內(nèi)置v型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)自起動力（磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極形狀進(jìn)行了優(yōu)化。采用不均勻氣隙結(jié)構(gòu)，以有限元為工具并利用遺傳算法對空載氣隙磁密波形進(jìn)行了優(yōu)化，使其中的諧波含量較小，得出了轉(zhuǎn)子磁極的****偏心距。在此基礎(chǔ)上采用時步有限元方法，在考慮定子開槽、斜槽結(jié)構(gòu)并計及飽和的情況下，對優(yōu)化前后電機(jī)的電動勢波形進(jìn)行了分析對比，并通過試驗驗證了所采用的時步有限元計算程序的有效性。有限元計算結(jié)果表明，通過優(yōu)化偏心的不均勻氣隙設(shè)計，電機(jī)的空載氣隙磁密和電動勢波形得到了明顯改善。
關(guān)鍵詞：自起動永磁同步電動機(jī)；不均勻氣隙；氣隙磁密波形；時步有限元法；空載電動勢
中圖分類號：tm 351文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a文章編號：1673-6540(2010)07-0001-05
o 引 言
自起動永磁同步電動機(jī)(pmsm)與異步電機(jī)相比，具有效率高、功率因數(shù)高、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，在一些長期連續(xù)運(yùn)行的場合替代傳統(tǒng)的異步電機(jī)具有較大的節(jié)能優(yōu)勢，因此得到研究人員越來越多的重視。目前，自起動pmsm多采用均勻氣隙的結(jié)構(gòu)，氣隙磁場中含有大量諧波，使得電動勢中諧波含量很大，增加了電機(jī)諧波電流和附加諧波鐵損和銅損，影響電機(jī)效率的進(jìn)一步提高，另外諧波磁場也會產(chǎn)生力矩波動，引起振動和噪聲。長期以來，眾多學(xué)者都對pmsm氣隙磁密進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，但大部分文獻(xiàn)主要針對表面式磁體結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。
在文獻(xiàn)[8]中作者采用zooming算法對內(nèi)置式永磁電機(jī)磁極不對稱角度進(jìn)行優(yōu)化，以削弱齒槽轉(zhuǎn)矩。楊玉波等研究了通過改變隔磁磁橋形狀改變一個磁極的極弧寬度，進(jìn)而削弱內(nèi)置式pmsm齒槽轉(zhuǎn)矩的方法。
文獻(xiàn)[10]中運(yùn)用智能型模擬退火算法，對開關(guān)磁阻電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁極幾何形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，在定、轉(zhuǎn)子其他主要尺寸不變的條件下，使樣機(jī)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩明顯提高。
文獻(xiàn)[11]利用試算法對徑向式v型磁體結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化獲得了氣隙磁場波形畸變率與偏心距之間的關(guān)系曲線。
文獻(xiàn)[12]用一樣條參數(shù)化方法設(shè)計u形永磁磁路轉(zhuǎn)子形狀以減小電動勢中的諧波。但是對于采用內(nèi)置式磁路結(jié)構(gòu)并且?guī)饎訉?dǎo)條的自起動pmsm磁極形狀優(yōu)化的文獻(xiàn)并不多見。
本文運(yùn)用有限元方法分析v型轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的自起動pmsm的空載氣隙磁密波形，利用遺傳算法得到了****偏心距，從而獲得不均勻氣隙永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及氣隙磁密波形，然后利用自主開發(fā)的時步有限元程序，分析對比了優(yōu)化前后電機(jī)的電動勢波形，最后通過試驗間接驗證了優(yōu)化方法的有效性。
lpmsm的結(jié)構(gòu)及空載磁場分析
自起動pmsm的永磁體通常位于導(dǎo)條和軸之間的鐵心中，籠型轉(zhuǎn)子直接面向空氣隙。本文計算模型源自某電機(jī)廠當(dāng)前生產(chǎn)的電機(jī)，圖l(a)為電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，轉(zhuǎn)子磁路采用v型結(jié)構(gòu)，均勻氣隙，籠型轉(zhuǎn)子采用鑄鋁材料，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。測試中發(fā)現(xiàn)該電機(jī)的電動勢和電流中的諧波含量較大。
為了考察永磁電機(jī)氣隙磁場中諧波的影響，通常假定電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，通過電動勢波形反映諧波磁密對感應(yīng)電動勢的影響。假設(shè)磁路線性情況下，根據(jù)文獻(xiàn)[13]的結(jié)果，定子開槽的影響僅僅使齒諧波電勢增大或減小一定的倍數(shù)，假設(shè)能夠消除由永磁轉(zhuǎn)子引起磁場中的一切諧波，則即使定子開槽，亦不會引起電壓波形的畸變。因此，本文在優(yōu)化氣隙磁場時暫不考慮定子開槽的影響，采用定子內(nèi)表面光滑 |
