江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院、江蘇省電動車輛驅(qū)動與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員劉國海、王艷陽等,在《電工技術(shù)學(xué)報》2018年增刊2上撰文,為降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動,首先提出一種五相40槽8極的非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機(jī)。
在此基礎(chǔ)上,為準(zhǔn)確獲取電機(jī)的最優(yōu)參數(shù)值,提升電機(jī)轉(zhuǎn)矩性能,以降低轉(zhuǎn)矩脈動和提高輸出轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化目標(biāo),提出一種基于參數(shù)分層設(shè)計(jì)與響應(yīng)曲面法相結(jié)合的多目標(biāo)優(yōu)化方法。通過分析優(yōu)化前后非對稱電機(jī)的電磁性能可知,采用改進(jìn)后的非對稱轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能有效降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動。
與非對稱、偏移極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)樣機(jī)相比,所提出的基于多目標(biāo)優(yōu)化方法設(shè)計(jì)的非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機(jī)能夠在降低轉(zhuǎn)矩脈動的同時提高轉(zhuǎn)矩密度。
隨著永磁材料的發(fā)展與性能的不斷提升,永磁電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、高輸出轉(zhuǎn)矩、高功率密度、高效率等優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有凸極性,因而具備寬調(diào)速范圍,目前已被成功應(yīng)用于新能源電動汽車、航空航天等領(lǐng)域中。但內(nèi)置式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩,導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動上升,產(chǎn)生機(jī)械振動與噪聲,影響其運(yùn)行性能。
近年來,如何降低內(nèi)置式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的問題受到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。降低轉(zhuǎn)矩脈動的方法一般可分為改進(jìn)電機(jī)控制算法和優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)兩種。從控制算法的角度,文獻(xiàn)[4]在勵磁繞組上增加q軸諧波電流,產(chǎn)生一個額外轉(zhuǎn)矩來抑制齒槽轉(zhuǎn)矩,進(jìn)而降低轉(zhuǎn)矩脈動,但系統(tǒng)的復(fù)雜程度會隨之增加。
從電機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)的角度,文獻(xiàn)[5]采用分?jǐn)?shù)槽繞組,可有效減少高次諧波,降低齒槽轉(zhuǎn)矩,從而抑制電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動的產(chǎn)生,但該方法只能削弱齒槽轉(zhuǎn)矩中的部分諧波。英國Z. Q. Zhu教授提出定子斜槽,可大幅降低齒槽轉(zhuǎn)矩與空載反電動勢的諧波畸變率,不足之處在于犧牲了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。
此外,還可采用轉(zhuǎn)子斜極,在定子齒上增加輔助槽,選擇合適的槽極配比等方法降低轉(zhuǎn)矩脈動。文獻(xiàn)[10]通過采用偏移非對稱轉(zhuǎn)子極的方法,可同時有效抑制永磁轉(zhuǎn)矩、磁阻轉(zhuǎn)矩和齒槽轉(zhuǎn)矩的脈動,但制造工藝復(fù)雜,且電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩有所降低。
除了電機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn),還可通過優(yōu)化算法來確定電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)值,從而提升電機(jī)的電磁性能。傳統(tǒng)的優(yōu)化方法多借助有限元仿真軟件進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化,計(jì)算量大,參數(shù)間的相互影響易被忽略,難以獲取最佳參數(shù)值。
為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高性能優(yōu)化設(shè)計(jì),文獻(xiàn)[11]提出了Taguchi優(yōu)化方法,該方法可大幅減少仿真計(jì)算量,但其最優(yōu)值的選取具有一定局限性。目前,常用智能優(yōu)化算法[12,13]來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì),如遺傳算法、模擬退火算法、NSGA-II,雖具有良好的全局搜索能力,但不能完全實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的遺傳優(yōu)化。
本文提出一種非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機(jī),以降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動和提高電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化目標(biāo),提出一種參數(shù)分層設(shè)計(jì)與響應(yīng)曲面法相結(jié)合的多目標(biāo)優(yōu)化方法,可準(zhǔn)確獲取電機(jī)的最優(yōu)參數(shù)值,實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。與非對稱、偏移極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)樣機(jī)相比,所提出的基于多目標(biāo)優(yōu)化方法設(shè)計(jì)的非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機(jī)不僅降低了轉(zhuǎn)矩脈動,還可有效提升轉(zhuǎn)矩密度。
非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)
圖1 非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機(jī)模型結(jié)構(gòu)
非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)
圖2 非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機(jī)細(xì)節(jié)參數(shù)優(yōu)化模型
非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機(jī)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)
圖8 樣機(jī)的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)平臺
結(jié)論
本文提出了一種非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機(jī),以降低轉(zhuǎn)矩脈動和提升輸出轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化目標(biāo),采用參數(shù)分層設(shè)計(jì)與響應(yīng)曲面法相結(jié)合的方法,可快速、高效、準(zhǔn)確地獲取電機(jī)參數(shù)值。
仿真對比分析優(yōu)化前后電機(jī)的電磁性能,驗(yàn)證優(yōu)化后的非對稱轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可有效降低轉(zhuǎn)矩脈動。傳統(tǒng)非對稱、偏移極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)樣機(jī)雖然可大幅降低轉(zhuǎn)矩脈動,但在磁極偏移過程中,其轉(zhuǎn)矩?fù)p失較大,且制造工藝復(fù)雜。
結(jié)合樣機(jī)實(shí)驗(yàn),所提出的基于多目標(biāo)優(yōu)化方法設(shè)計(jì)的非對稱電機(jī)不僅結(jié)構(gòu)簡單,而且電機(jī)性能大幅提升。