基于瞬态热网络法的细长型永磁电机优化设计研究

本文将瞬态热网络法应用到起重机用细长型外转子永磁电机的优化设计中,以电机效率和成本为优化目标,对一台37.0kW永磁电机进行优化设计。选择永磁体厚度、气隙长度g、电机铁心轴向长度、每槽导体数、导线线规、永磁体厚度六个参数为优化变量,同时约束其槽满率、定子齿部磁密、定子轭部磁密、最大温升、最大转矩在一定范围内。本文分析了细长型永磁电机结构参数对铜损耗和效率的影响,再利用粒子群优化算法对永磁电机进行优化设计。优化结果显示:电机效率提高1.1%,成本也略有下降。最后通过有限元仿真,验证了瞬态热网络法的可行性和准确性。     

定子无铁心轴向磁场永磁轮毂电机损耗分析及效率优化

减速装置的引入使得轮毂电机分布式驱动系统对电机本体的效率提出了更高的要求。为了实现定子无铁心轴向磁场永磁轮毂电机在其常用工况下的高效率,该文分析了利兹线和扁线对定子槽满率的影响规律,建立了不同线型绕组的交流损耗计算模型,对不同线型绕组电机的交直流铜损进行了计算与对比分析,并基于损耗产生机理提出扁线绕组分股和换位的交流损耗抑制方法。在此基础上,针对轮毂电机驱动系统的常用工况,对不同线型绕组电机的损耗和效率进行全面对比。结果表明,采用该文提出的效率优化方法可以实现扁线绕组的低损耗及电机的高效率,使用改进型扁线绕组的定子无铁心轴向磁场永磁电机适合作为减速驱动轮毂电机应用,尤其是对转矩需求较高的轮毂电机。试验结果验证了理论和仿真分析方法的正确性。     

基于果蝇优化算法的主动径向磁悬浮轴承多变量多目标优化设计

果蝇优化算法(Fruit Fly Optimization Algorithm,FOA)是一类新型全局优化算法。本文尝试将FOA引进到高速电机用RMB的优化设计中,以达到提高其高速电机性能指标的目的。     

基于粒子群优化算法的可变速抽水蓄能发电电动机电磁优化设计

本文结合可变速抽水蓄能发电电动机的指标与运行特点,在研究其设计流程和设计要点的基础上,以一台10MW交流励磁发电电动机为例,基于粒子群优化算法,以电机的效率、成本为优化设计目标。在保证热负荷满足通风要求的情况下,对定子每极每相槽数、定子槽宽、转子槽宽进行了寻优设计,实现了材料成本降低、效率提高的设计目标,形成了交流励磁发电电动机的电磁设计方案。通过对该电机电磁方案的空载特性分析,提出了对空载线电压波形畸变率过高问题的优化设计方案,建立了基于试验设计和曲线拟合以定、转子槽口宽度和单边气隙长度为优化变量的线电压基波幅值和波形畸变率的拟合公式,在其基础上通过三维粒子群优化,获得了进一步优化的发电电动机电磁优化设计方案。     

基于时步有限元分析的超高效电机定子槽形优化设计

在我国,中小型电机的定子槽形通常为梨形槽,且不同机座号的槽形尺寸己沿用了数十年。为研究有利于降低电机损耗的定子槽形尺寸,建立了基于时步有限元法的损耗计算模型,以一台5．5kW异步电机为例,分析了槽口宽度、槽口高度、槽肩角、槽宽、槽高及槽半径等6个槽形尺寸对损耗的影响程度。结果表明,槽口宽度、槽宽和槽底半径对损耗影响较大。在槽满率基本不变,且确保电机原有起动性能的前提下,提出了基于时步有限元法的定子槽形优化设计方法,利用该方法对上述5．5kW电机定子槽进行改进设计。经改进后,电机空载损耗降低了约7％,满载损耗降低了约2％。     

永磁同步电动机定子槽尺寸的优化分析

针对近几十年来,中小型电机定子槽型尺寸比例变化甚小的现象,拟定一台5 k W高速永磁同步电动机为研究对象,应用电磁仿真软件Ansoft,对电机的定子槽尺寸进行有限元优化分析。研究表明:在定子槽面积及槽满率一定的情况下,定子槽宽的在极限范围内变化,对电机性能参数反电势、铁耗影响比较大,分别可达15%和30%;然而在考虑电机机械结构的情况下,定子槽宽的变化对电机性能影响因子下降。针对该电机,电机反电势的最大值和电机损耗的最大值均出现在定子槽宽为7 mm附近。     

基于定子磁链规划的异步电机最优效率控制

针对异步电机效率优化问题,提出了在直接转矩控制下采用定子磁链规划的最优效率控制方法。基于电机的损耗模型,通过效率优化算法在线检测计算各个定子磁链值对应的功率损耗并进行在线搜索,寻求消耗功率最小的定子磁链值。仿真结果表明该方法能够减小异步电机轻负载时的输入功率,明显提高电机在轻负载情况下的稳态运行效率,同时保持较好的转矩动态性能,并且收敛速度较快。     

基于遗传-模式算法的高效异步电机的优化设计

异步电机具有结构简单,制造、使用和维护方便,以及重量轻,成本低等优点,在各类电力拖动系统中广泛应用。与永磁电机相比,常规异步电机的效率较低,从而更加消耗能源。为提高电机的效率,提出基于遗传-模式搜索算法的异步电机多目标优化设计方案。对定子绕组采用低谐波绕组,再利用田口算法来合理选择电机优化参数,并以效率和功率因素作为优化目标,采用遗传-模式搜索算法对电机进行优化,最终得到优化后的电机参数。     

近极槽数永磁无刷直流轮毂电机齿顶漏磁优化

近极槽数永磁无刷直流轮毂电机的齿顶漏磁较大,严重影响着电机的力能指标。降低近极槽数轮毂电机齿顶漏磁对于提高电机性能有十分重要的作用。优化齿顶漏磁常用的方法是改变电机的极槽配比、极弧系数等,然而这些方法会受到电机设计要求、材料利用率以及空间利用率等因素的限制。在这些方法基础上,基于均匀气隙直流电机气隙磁场模型,分析电机定子齿顶冠部对齿顶漏磁以及电机损耗的影响,并基于一70极63槽三相无刷永磁轮毂电机样机参数,通过Ansoft软件RM、Maxwell 2D进行验证。在此基础上提出一种新的定子硅钢片叠压方式,以减弱近极槽数轮毂电机齿顶漏磁,降低电机漏磁系数,进而为电机优化提供一种新的优化方法并用Maxwell 3D验证其可行性。     

感应电机损耗最小化预测控制策略研究

针对传统感应电机效率优化算法在复杂工况下存在鲁棒性和动态性能差的问题,提出了一种基于损耗模型控制算法的感应电机效率优化预测控制策略。搭建考虑铁损的电机功率损耗模型,包含铁损、铜损以及漏感等因素,提高了损耗模型的精度。采用模型参考自适应观测器估计损耗模型中的定子电阻,设计电流模型为参考模型,电压模型为可调模型。基于电机铁损模型构建连续集模型预测电流控制器,提升系统的动态性能。实验结果验证了所提算法的可行性和有效性。     

基于参数敏感度的双凸极永磁型双定子电机的优化设计和性能分析

双凸极永磁型双定子(DSPMDS)电机是针对电动汽车(EVs)驱动电机的应用要求,融合了双定子电机理论和定子永磁型双凸极电机理论,具有高转矩密度、高功率密度以及更加灵活多变的工作模式等优点。针对该电机双层气隙、双定子的复杂结构,在DSPMDS电机初始设计尺寸的基础上,通过建立电机参数化模型,并采用多目标敏感度优化方法,筛选出对电机转矩波动和铁心损耗影响最大的关键结构尺寸参数,在此基础上进一步采用响应面法选取最优结构尺寸参数。采用有限元仿真计算分析DSPMDS电机的反电动势、铁心损耗、定位力矩等电磁性能,样机实验结果验证了所提出的参数敏感度优化设计方法和性能分析的正确性,丰富了该类复杂结构的永磁型电机的快速设计和优化的途径。     

轮毂电机振动噪声抑制措施

外转子永磁同步电机作为轮毂电机较多地应用在电动汽车上,但以轮毂电机为目标的振动噪声研究却较少。以一台额定功率为10 kW、额定转速为500 r/min的轮毂电机为例,通过构建轮毂电机的2D有限元模型,对电机的径向电磁力密度和振动噪声特性进行有限元仿真计算。从极弧系数和定子齿上开辅助槽两个方面对外转子轮毂电机的振动噪声特性进行研究。仿真结果表明：轮毂电机极弧系数为0.72左右时,振动噪声特性较好;在定子齿顶开设不对称的双辅助槽显著提升了电机的振动噪声特性。     

磁悬浮人工心脏驱动电机的优化设计

提出了基于电磁场有限元分析技术,对磁悬浮人工心脏的驱动电机进行优化设计的方法。根据对人工脏器的设计要求,设计了一台单面轴隙式永磁无刷直流电机作为人工心脏的驱动电机。通过建立驱动电机的3D整体模型,研究电机气隙中的磁场分布。同时结合电机损耗的计算方法,以提高电机的总体效率、降低电机的整体尺寸为目标,对驱动电机的电机线圈、永磁体阵列的尺寸进行优化设计。仿真与计算得出的优化设计结果,可以为人工心脏的工程设计提供参考。     

大功率高速永磁电机的电磁设计与损耗分析

大功率高速永磁电机的损耗与温升等影响电机功率密度的提高。以500 kW、12 000 r/min高速永磁电机为例,分析了电机极对数、定子绕组形式、转子结构、永磁体等对电机性能特别是损耗的影响。采用电机的有限元仿真模型,对电机的转子结构强度、输出性能、损耗进行了分析计算。试制了样机并对相关性能进行试验验证,分析计算与试验结果均表明,电机达到了较高的技术指标要求,为高速永磁电机的优化设计提供了参考。     

轴向磁通永磁电机的设计与优化

本文根据一款家用乘用车的结构和运行性能需求,设计出了额定功率95kW,峰值功率190kW的轴向磁通永磁电机。电机采用内单定子外双转子结构,定子铁心采用分块式设计形式。基于永磁电机设计理论,总结归纳轴向磁通永磁电机的初始设计流程,并对其电磁性能进行初始评估。采用有限元法建立电磁分析三维模型,对采用多种转子结构电机的电磁转矩、齿槽转矩、转矩脉动及永磁体涡流损耗等进行计算和分析。文中所归纳的电动汽车驱动用轴向磁通永磁电机设计流程及降低齿槽转矩、转矩脉动和永磁体涡流措施的效果对比,为此类电机的设计及优化提供借鉴经验。     

基于响应面法的电动汽车用非晶合金永磁同步电机优化设计

为提升电动汽车用永磁同步电机效率,提出采用高磁导率、低损耗非晶合金定子铁心代替传统硅钢定子。首先,基于有限元法分析直接替换现有硅钢定子的永磁同步电机转矩性能不达标,其次,在外形尺寸、槽面积不变及转矩性能不降低的前提下,以效率为优化目标,以定子齿宽以及永磁体宽度为优化变量,采用响应面法对非晶合金定子永磁同步电机进行优化设计。最后通过优化前后效率及转矩对比,说明了非晶合金电机在效率提升方面的优越性。     

电动汽车驱动用分数槽永磁同步电机电磁噪声优化

分数槽永磁同步电机因存在较低阶次的径向电磁力,导致其电磁噪声较大。基于理论分析、Optislang多目标优化平台与Ansys多物理场有限元分析平台,对一台电动汽车驱动用8极36槽永磁同步电机的电磁噪声进行分析和优化。电机的电磁噪声主要是由作用于定子齿上的径向电磁力波使定子铁心振动变形引起,在定子齿顶开辅助槽并对其齿槽参数进行优化,以削弱径向电磁力。建立电机的二维有限元模型,利用Optislang对不同工况下的定子辅助槽及齿槽参数进行多目标优化,计算得到Pareto前沿并从中找到相对最优解。对比分析电机优化前后定子齿部的径向电磁力,将其映射到所对应的三维结构上,利用Ansys计算得到电机优化前后的电磁噪声,并通过样机的噪声试验验证了仿真结果的有效性。     

轴向磁场永磁记忆电机多目标分层优化设计

为了同时实现新型轴向磁场永磁记忆电机的高性能及低成本,提出一种基于分层策略的多目标优化设计方法。通过在分析电机尺寸方程及灵敏度,得到影响目标的优化参数基础上,将所选的气隙磁密、永磁成本、轴向受力、感应电动势(electromotive force,EMF)、感应电动势波形畸变率(total harmonic distortion,THD)、齿槽转矩6个优化目标分为两个层次,从而实现方程组的降维;针对分层策略,提出一种结合中心复合表面设计(central composite face,CCF)和Box-Behnken设计(BBD)的分层响应面法(response surface method,RSM)。此外,基于罚函数和目标约束得到一种改进的NSGA-Ⅱ (NSGA-Ⅱ-M)多目标遗传优化算法。通过比较分层RSM和NSGA-Ⅱ-M给出的优化方案,并结合有限元仿真结果和样机实验结果,验证了所提出的电机多目标分层优化方法的可行性和有效性。