一種能夠有效減小電機(jī)鐵耗的內(nèi)置式永磁電機(jī)的制作方法
【專利說明】-種能夠有效減小電機(jī)鐵耗的內(nèi)置式永磁電機(jī) 所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種永磁電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002] 內(nèi)置式永磁電機(jī)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，在永磁體外表面與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)圓之間 (對(duì)于外轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)則為永磁體內(nèi)表面與轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)圓之間）有鐵磁物質(zhì)制成的極靴， 這使得d、q軸磁路不對(duì)稱，即L d# L q，由于轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱使得電機(jī)產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩， 這使得內(nèi)置式永磁電機(jī)具有較高的功率密度及轉(zhuǎn)矩密度，且磁阻轉(zhuǎn)矩也有助于提高電機(jī)的 過載能力及電機(jī)的弱磁擴(kuò)速能力，內(nèi)置式永磁電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍寬，因此內(nèi)置式永磁電 機(jī)被廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)車牽引、風(fēng)機(jī)、水泵、紡織、化纖、工業(yè)機(jī)器人、辦公自動(dòng)化、數(shù)控機(jī) 床及航空航天等工業(yè)領(lǐng)域中。
[0003] 內(nèi)置式永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)按永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系 被分為徑向式、切向式和混合式三種，其中，"U"型永磁體結(jié)構(gòu)屬于混合式結(jié)構(gòu)，相比于常見 的屬于徑向式結(jié)構(gòu)的"一"字型和"V"字型永磁體結(jié)構(gòu)，"U"字型永磁體結(jié)構(gòu)可以為安放永 磁體提供更多的空間，空載漏磁系數(shù)也較小。
[0004] 由于轉(zhuǎn)子鐵心對(duì)永磁體的保護(hù)使得內(nèi)置式永磁電機(jī)適于高速運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較 高時(shí)，氣隙磁場(chǎng)基波及由永磁體的諧波磁動(dòng)勢(shì)和定子磁動(dòng)勢(shì)的非正弦分布等引起的氣隙磁 場(chǎng)諧波分量的交變頻率較高，從而使得電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子鐵耗較大，這一方面會(huì)使得電機(jī)的效 率降低，另外由于轉(zhuǎn)子的散熱條件較差，較高的轉(zhuǎn)子鐵耗會(huì)使得永磁體容易產(chǎn)生不可逆退 磁，使得電機(jī)的電磁性能變差，影響電機(jī)的運(yùn)行，通過改進(jìn)電機(jī)的永磁體腔結(jié)構(gòu)，可以降低 磁場(chǎng)中的諧波含量，從而降低電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子鐵耗，使得電機(jī)的效率提高，且降低永磁體發(fā) 生不可逆退磁的風(fēng)險(xiǎn)，提高電機(jī)運(yùn)行的可靠性。
[0005] 目前對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化的方法分為全局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方法，全局優(yōu) 化設(shè)計(jì)方法包括遺傳算法、模擬退火方法和禁忌搜索等智能優(yōu)化算法，全局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 能將所有的不確定因素都包括在優(yōu)化目標(biāo)中，但具體目標(biāo)函數(shù)的建立非常復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)計(jì)算 所需的花費(fèi)很大，計(jì)算時(shí)間很長(zhǎng)；局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方法包括復(fù)合形法、單純法、登山法等確定 性方法，這些局部性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)于單目標(biāo)優(yōu)化有很好的收斂效果，卻不能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo) 優(yōu)化設(shè)計(jì)。而由日本著名質(zhì)量管理學(xué)家Taguchi G博士于上世紀(jì)70年代創(chuàng)立的Taguchi 法是一種科學(xué)、有效的穩(wěn)健性設(shè)計(jì)方法，其屬于局部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方法，但與上述提到的局部?jī)?yōu) 化設(shè)計(jì)方法所不同的是能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過建立正交表，能在最少的試驗(yàn)次數(shù) 內(nèi)搜索出多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的最佳組合。Taguchi法自提出以來，其在計(jì)算科學(xué)及工程應(yīng)用 方面均取得長(zhǎng)足進(jìn)步，除此之外，在電機(jī)設(shè)計(jì)與控制領(lǐng)域，Taguchi法同樣取得顯著成效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是，改進(jìn)具有單層U型永磁體結(jié)構(gòu)的內(nèi)置式永磁電機(jī)的永磁體腔結(jié) 構(gòu)，并對(duì)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供一種能夠有效降低氣隙磁場(chǎng)中的諧波分量，使得電 機(jī)的定、轉(zhuǎn)子鐵耗明顯減小，使得電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)及齒槽轉(zhuǎn)矩減小的內(nèi)置式永磁電機(jī)。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007]-種能夠有效減小電機(jī)鐵耗的內(nèi)置式永磁電機(jī)，采用單層U型永磁體結(jié)構(gòu)，即具 有單層U型的永磁體腔結(jié)構(gòu)，其特征在于，在U型永磁體腔兩側(cè)接近轉(zhuǎn)子鐵心表面的位置增 加三角形的永磁體腔拓展結(jié)構(gòu)，并將相鄰極間的永磁體腔進(jìn)行連接。
[0008] 作為優(yōu)選實(shí)施方式，以連接相鄰極永磁體腔結(jié)構(gòu)到U型永磁體兩側(cè)永磁體上層 邊的距離、連接相鄰極永磁體腔結(jié)構(gòu)的厚度、三角形的永磁體腔拓展結(jié)構(gòu)位于轉(zhuǎn)子鐵心中 的頂點(diǎn)到轉(zhuǎn)子鐵心圓心處的距離、永磁體腔拓展結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)到圓心的線段與d軸之間的夾 角以及永磁體腔拓展結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)所對(duì)邊的距離作為優(yōu)化變量；以電機(jī)的定子鐵耗、轉(zhuǎn)子鐵 耗作為優(yōu)化目標(biāo)；以額定電磁轉(zhuǎn)矩的減小量不超過優(yōu)化前額定電磁轉(zhuǎn)矩的5%作為約束條 件，利用Taguchi法對(duì)永磁體腔改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。
[0009] 本發(fā)明改進(jìn)內(nèi)置式永磁電機(jī)的永磁體腔結(jié)構(gòu)，并提出利用Taguchi法對(duì)改進(jìn)后的 結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而減小內(nèi)置式永磁電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子鐵耗且兼顧電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩不顯著減 小。具有如下的有益效果：
[0010] 1、本發(fā)明改進(jìn)了具有單層U型永磁體結(jié)構(gòu)的內(nèi)置式永磁電機(jī)的永磁體腔結(jié)構(gòu)，改 進(jìn)后的結(jié)構(gòu)能夠有效降低氣隙磁場(chǎng)中的諧波分量，使得電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子鐵耗明顯減小，且優(yōu) 化后的永磁體腔結(jié)構(gòu)使得電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)及齒槽轉(zhuǎn)矩明顯減小，提升了電機(jī)運(yùn)行的平 穩(wěn)性；
[0011] 2、利用Taguchi法對(duì)永磁體腔改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而可以得到永磁體腔改進(jìn)結(jié) 構(gòu)的最終優(yōu)化方案，使得電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子鐵耗有大幅減小，同時(shí)使電機(jī)的額定電磁轉(zhuǎn)矩沒有 較大的下降。
【附圖說明】
[0012] 圖1改進(jìn)永磁體腔結(jié)構(gòu)前的內(nèi)置式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖（"1"代表轉(zhuǎn)子鐵心；"2" 代表永磁體腔；"3"代表45#鋼）。
[0013] 圖2改進(jìn)永磁體腔結(jié)構(gòu)后的內(nèi)置式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖（"I"代表永磁體腔拓展 結(jié)構(gòu)；"II"代表連接相鄰極永磁體腔的結(jié)構(gòu)）。
[0014] 圖3永磁體腔改進(jìn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化變量示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。
[0016] 以一臺(tái)內(nèi)置式永磁電機(jī)為例來進(jìn)行減小內(nèi)置式永磁電機(jī)鐵耗的永磁體腔結(jié)構(gòu)穩(wěn) 健性設(shè)計(jì)，電機(jī)的參數(shù)如表1所示。
[0017] 表1內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)參數(shù)
[0018]

[0019] (1)確定電機(jī)初始的永磁體腔結(jié)構(gòu)，內(nèi)置式永磁電機(jī)采用單層U型永磁體結(jié)構(gòu)，即 具有單層U型的永磁體腔結(jié)構(gòu)，如圖1所示，圖中"1"代表轉(zhuǎn)子鐵心，"2"代表永磁體腔，"3" 代表45#鋼；
[0020] (2)確定Taguchi法為減小內(nèi)置式永磁電機(jī)鐵耗的永磁體腔結(jié)構(gòu)穩(wěn)健性設(shè)計(jì)的方 法；
[0021] (3)改進(jìn)電機(jī)的永磁體腔結(jié)構(gòu)，如圖2所示，在U型永磁體腔結(jié)構(gòu)中增加類似三角 形的永磁體腔拓展結(jié)構(gòu)，如圖2中的" I "所示，并將相鄰極間的永磁體腔進(jìn)行連接，如圖2中 的" II "所示，通過改進(jìn)可以有效減小磁場(chǎng)分布中的諧波含量，進(jìn)而有效降低電機(jī)的鐵耗；
[0022] (4)利用Taguchi法對(duì)永磁體腔改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確定優(yōu)化變量、優(yōu)化目標(biāo)及約 束條件。以連接相鄰極永磁體腔的結(jié)構(gòu)到U型永磁體兩側(cè)永磁體上層邊的距離，如圖3中 的"A"所示，連接相鄰極永磁體腔的結(jié)構(gòu)的厚度，如圖3中的"B"所示，永磁體腔拓展結(jié)構(gòu) 的頂點(diǎn)到圓心的距離，如圖3中的"C"所示，永磁體腔拓展結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)與圓心之間的線段與 d軸之間的夾角，如圖3中的"D"所示，永磁體腔拓展結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)所對(duì)邊的距離，如圖3中 的"E"所示，作為優(yōu)化變量；以電機(jī)的定子鐵耗、轉(zhuǎn)子鐵耗作為優(yōu)化目標(biāo)；以額定電磁轉(zhuǎn)矩 的減小量不超過優(yōu)化前額定電磁轉(zhuǎn)矩的5%作為約束條件；
[0023] (5)優(yōu)化變量的個(gè)數(shù)即為因素?cái)?shù)，即因素?cái)?shù)為5,選取各優(yōu)化變量的水平數(shù)為4， 并根據(jù)電機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)確定各優(yōu)化變量的取值范圍，進(jìn)而確定各優(yōu)化變量各水平的取 值，建立可控因素水平表，如表2所示。根據(jù)優(yōu)化變量個(gè)數(shù)及各變量的水平數(shù)建立正交表 L 16 (45)，如表3所示；
[0024] 表2可控因素水平表
[0025]
[0028] (6)根據(jù)建立的正交表，分別在額定運(yùn)行點(diǎn)、最大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行點(diǎn)及弱磁運(yùn)行點(diǎn)，對(duì)每 一組試驗(yàn)進(jìn)行有限元分析，得到在各個(gè)運(yùn)行點(diǎn)處各組試驗(yàn)所