[發明專利]一種基于田口方法的內置式永磁電機氣隙磁場的優化方法

有效

• 申請號: 202110349356.6
• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN113098170B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 鮑曉華;洪濤;王振;狄沖;劉佶煒;李仕豪
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H02K1/274
• 分類號: H02K1/274;H02K1/06
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 何梅生

本發明公開了一種基于田口方法的內置式永磁電機氣隙磁場的優化方法屬于內置式永磁同步電動機多參數多目標優化領域，該方法以永磁體的厚度、磁化角、永磁體的角度和輔助磁極的比例這四個變量作為優化變量，以氣隙磁場的總諧波含量(THD)及其基波幅值作為優化目標，然后通過正交實驗確定初步優化方案，接著以相對重要性作為依據研究優化變量對優化目標的影響，確定最終優化方案，最后，通過有限元仿真比較優化前后氣隙磁通密度的諧波含量，驗證了該優化方法的有效性。本發明能夠使得電機優化仿真實驗組數大大減少，電機的設計周期得到極大縮短，優化效率得以提高，有利于現代化電機設計行業的大規模生產。

技術領域

本發明涉及優化設計領域，特別是涉及一種基于田口方法的內置式永磁電機氣隙磁場的優化方法。

背景技術

隨著過程生產技術和設計理論的不斷提高，永磁電動機受到越來越多的關注。特別是，低速大轉矩電主軸永磁同步電動機在工業生產、油田開采、風力發電和船只推進等領域有著極其廣泛的應用前景。在數控機床中，電主軸將機床主軸與主軸電機融為一體，可消除高速數控機床主傳動系統的帶輪傳動和齒輪傳動，實現了機床的“零傳動鏈”。皖南電機研發了一種低速大轉矩電主軸永磁電動機與數控機床匹配。該項目為大內徑低轉速大轉矩電主軸永磁電動機，它包括有定轉子系統、大型精密軸承支撐過渡、大內徑空心軸系統等。

為了滿足高性能的要求，對于永磁電動機而言，實現相對理想的空載氣隙磁通密度波形非常重要。永磁電動機的齒槽轉矩，轉矩脈動，噪聲和其他特性與氣隙磁通波形高度相關。氣隙磁通波形主要由轉子磁路結構和磁體的固有特性決定，因此，新穎的拓撲結構和磁路結構的引入值得關注。該大內徑低轉速大轉矩電主軸永磁電動機是內置式永磁電機，永磁體采用兩種不同充磁方式組合的新型結構來達到氣隙磁密優化的效果。采用該結構會引入多種參數變量，這些參數變量會對電機的氣隙磁密帶來影響。如果采用傳統參數化仿真，則會帶來實驗組數大,設計周期長,優化效率低,不利于電機的大規模工業應用等缺點。

發明內容

本發明是為了克服現有技術存在的不足之處，一種基于田口方法的內置式永磁電機氣隙磁場的優化方法，以期能減少實驗組數，提高優化效率，從而保縮短電機的設計周期。

為解決項目的技術難點，采用以下研究方案：

本發明采用田口方法通過對低速大轉矩電主軸內置式永磁同步電動機的氣隙磁場進行優化，其特征是按如下步驟進行：

步驟1：確定低速大轉矩電主軸內置式永磁同步電動機的優化變量和優化目標，以永磁體的厚度、磁化角、永磁體的角度和輔助磁極的比例這四個變量作為優化變量，以氣隙磁場的總諧波含量(THD)及其基波諧波的幅值作為優化目標；

步驟2：確定優化變量的水平數，此優化中水平數選取4個；

步驟3：利用優化變量和水平數確定正交表；

步驟4：求解試驗正交矩陣的數據，通過方差分析法獲得優化變量對優化目標的相對重要性；

步驟5：以相對重要性作為依據研究各優化變量對優化目標的影響，確定最終優化方案。

作為本發明進一步優化的方案，在步驟1中所述的低速大轉矩電主軸內置式永磁同步電動機中，對單極下永磁體進行分段并采用不同的方向的充磁方式。永磁體采用該充磁方式可以調制氣隙磁密波形，使之更為正弦化。

作為本發明進一步優化的方案，充磁方向分別采用垂直于永磁體表面和傾斜于永磁體表面兩種，組合充磁方向可以使得靠近電機氣隙一側的磁場增強，同時使得氣隙磁密波形更加正弦化。

作為本發明進一步優化的方案，在步驟4中根據正交矩陣通過有限元仿真軟件建立各種優化變量下的電機模型。