基于响应面法的定子永磁型轴向磁通切换电机齿槽转矩优化设计

针对聚磁反应造成定子永磁型轴向磁通切换电机(SPAFFSPM)的齿槽转矩偏大、噪声大等问题。以减小定子永磁型轴向磁通切换型电机的齿槽转矩,提高电机的输出性能为目标,利用能量摄动法推导出电机的齿槽转矩解析表达式,分析影响齿槽转矩的定转子结构参数。基于响应面法与有限元法构造出定子槽弧宽、转子齿倾斜角及永磁体形状系数与齿槽转矩之间的响应面数学模型,推导出使齿槽转矩最小的定子槽弧宽、转子齿倾斜角及永磁体形状系数最优组合。最后建立优化前后电机三维有限元分析模型,搭建样机的实验平台,验证优化方法的合理性及准确性。结果表明,优化后的电机齿槽转矩减小约82.5%,且电机的输出性能得到明显提高。     

基于改进蝙蝠算法的齿槽转矩优化

本研究从降低表贴式永磁电机的齿槽转矩出发,以24槽4极电机为例,基于能量法对齿槽转矩的产生机理进行解析分析,确定以极弧系数、气隙长度、磁极偏心距、永磁体厚度、槽开口宽度为优化参数组合,通过田口法从上述参数中筛选出对优化目标影响比重较大的参数并通过响应面拟合出相关的数学模型,应用具有Lévy飞行特征的蝙蝠算法求取该数学模型的最小值。利用有限元软件对最优解的电机模型进行仿真实验,结果表明：电机的齿槽转矩降低了82.16%,效率提高了1.6%,转矩脉动降低了8.2%。     

基于RSM的外转子永磁电机辅助槽参数优化

针对一款12槽10极的外转子永磁同步电机,研究了结合ANSYS Maxwell参数化分析和响应面法,优化定子齿辅助槽尺寸参数的方法。该方法选取槽深、槽宽、偏移角度为优化参数,利用ANSYS Maxwell参数化分析方法在较大的取值范围内进行少量的有限元实验,分析单一参数变化时电机齿槽转矩的变化趋势,得到较小的取值范围。在新的取值范围内,进一步利用响应面法建立参数与齿槽转矩的响应面模型,得到最优化结果。利用有限元仿真验证该方法的合理性及有效性。仿真结果表明,该方法可快速有效地确定永磁电机定子齿辅助槽的最优尺寸参数,削弱外转子永磁同步电机的齿槽转矩。     

基于试验设计方法的无刷直流电机结构优化设计

齿槽转矩是永磁电机的固有现象,造成电机转矩脉动,影响电机的在速度控制系统中的低速性能和位置控制系统中的高精度定位。本文利用响应面法对无刷直流电机的结构进行优化,抑制其齿槽转矩,从而提高控制系统性能。以一台4极6槽无刷直流电机作为研究对象,采用试验设计方法筛选电机各结构参数,得到电机齿槽转矩与主要结构参数之间的数学模型,计算出可使齿槽转矩最小的结构参数最优组合,并通过有限元方法验证计算结果的正确性。实验结果表明,优化后的无刷直流电机的齿槽转矩有效减少了90%,试验设计方法是可以迅速求得全局最优解的有效的电机优化方法。     

轴向磁场磁通切换型永磁电机齿槽转矩抑制

轴向磁场磁通切换型永磁(Axial Field Flux-Switching Permanent Magnet Machine,AFFSPM)电机是一种高功率密度、高效率的新型永磁电机,但由于其定、转子的双凸极结构引起的聚磁效应,同传统的永磁电机相比,该结构电机的齿槽转矩较大。为了减小齿槽转矩,进一步提高电机性能,本文对AFFSPM电机的齿槽转矩进行了分析,首先推导了齿槽转矩的解析表达式,然后对转子齿面开辅助槽法进行了研究,采用实验设计(DOE)方法得到了齿槽转矩与辅助槽槽宽、槽深和槽扇形角之间的数学模型,计算出使齿槽转矩最小的辅助槽槽宽、槽深和槽扇形角的最优组合,并通过三维有限元法(FEM)验证了所得结果的正确性。结果表明,转子齿开辅助槽可以有效地削减齿槽转矩,转子齿面开两个辅助槽,优化辅助槽口宽度、槽口深度和槽口形状为3°、1.79mm和1.62°,齿槽转矩最大可以减小约44.3%。     

基于Taguchi-BBD方法的PMSM齿槽转矩抑制

针对由永磁同步电机(PMSM)中磁钢与定子铁心之间相互作用而产生的齿槽转矩引起的电机振动与噪声、输出转矩波动、影响控制精度等问题,以一款48槽8极的PMSM为例,提出采用田口方法(Taguchi)与基于Box-Behnken设计的响应面法(BBD)相结合的方式以抑制PMSM的齿槽转矩。为了提高计算效率,首先利用Taguchi对齿槽转矩幅值相关的初选优化变量,即定子铁心槽口宽度、极弧系数、磁钢厚度、偏心距、磁钢充磁方式五个变量,安排了正交试验,并进行了最优目标变量的局部搜索以及对齿槽转矩影响比重较大的初选优化变量进行筛选,得到复选优化变量。其次,利用BBD对复选优化变量安排响应面试验,采用最小二乘法对响应面函数进行拟合回归,并对模型回归结果的有效性和拟合程度进行方差分析,最终利用BBD对最优目标变量进行全局搜索,得到最优解,抑制了PMSM的齿槽转矩幅值。研究结果表明,通过Taguchi-BBD的方法,能有效抑制PMSM的齿槽转矩。     

磁极偏移与转子凿孔开槽对永磁同步电机性能的影响

为降低永磁同步电机的齿槽转矩,采用磁极偏移的方式对电机进行优化分析。借助于Maxwell 2D有限元软件对磁极偏移进行参数化扫描分析,找出使齿槽转矩幅值最小的偏移角度。为了减小永磁电机的转动惯量,便于电机控制时提高动态响应能力,在转子上凿孔并开槽,研究了凿孔开槽后对电机空载气隙磁密、齿槽转矩和电磁转矩的影响。最后通过分析样机测试与有限元仿真结果,验证了该方法的有效性,为永磁同步电机转子结构优化设计提供了一定的工程参考价值。     

基于辅助槽的切向永磁电机齿槽转矩削弱方法

为削弱永磁同步电机齿槽转矩,提高电机性能,采用了开设转子内部辅助槽的方法。通过能量法分析齿槽转矩的产生原理,探讨了转子内部辅助槽对电机齿槽转矩的影响;利用有限元软件建立8极36槽内置切向式永磁同步电机模型,并基于该模型对辅助槽的形状、各项参数进行分析,采用变步长搜索法得到最优参数,最终得到辅助槽的最佳设计方案。结果表明:在转子内部开设偏心圆形辅助槽,能够有效削弱齿槽转矩,使齿槽转矩峰值降低了57.2%;能够增加气隙磁密基波幅值,减少谐波分量,2、6、8次谐波幅值明显下降;电机感应电动势谐波含量减少,电机性能得到提升。     

低速直驱外转子永磁同步电机的设计

永磁同步电机具有转矩密度高、功率因数高的特点,极对数的增加也不会降低功率因数,但齿槽转矩的存在,影响输出转矩的稳定性。本文设计了一台72槽60极400kW的直驱外转子永磁同步电机,利用ANSYS Maxwell建立的二维有限元仿真模型,分析空载反电势、齿槽转矩、气隙磁场、同步电感和负载转矩,验证了电机结构和参数的合理性。重点研究了齿槽转矩和转子损耗的优化,采用优化定子齿槽宽度和开辅助槽的方法,削弱齿槽转矩,采用转子磁极分块的方法,限制涡流通过路径,以降低转子损耗。仿真结果表明,所设计的电机能够满足性能指标,为电机的设计、齿槽转矩和转子损耗的优化提供了依据。     

阶梯形转子对双定子磁通反向电机齿槽转矩的影响

针对双定子磁通反向电机存在齿槽转矩过高,引起噪声振动的问题,采用阶梯形转子代替传统转子来削弱齿槽转矩。基于磁共能法,推导了双定子磁通反向电机齿槽转矩的解析模型,解释了阶梯形转子抑制齿槽转矩的原理。应用有限元方法,分别研究了各层阶梯块极弧系数对齿槽转矩和反电动势的影响。以齿槽转矩最小、反电动势谐波最小、反电动势幅值最大为综合优化目标,采用遗传算法,对不同层阶梯块的参数进行优化。结果表明,优化后的电机齿槽转矩降低了95.7%,额定负载时转矩波动从32%降低到2.4%,而平均转矩只下降了14.5%。