低轉(zhuǎn)矩脈動五相永磁輔助式磁阻電機優(yōu)化設(shè)計

低轉(zhuǎn)矩脈動五相永磁輔助式磁阻電機優(yōu)化設(shè)計彭冬玲瀏芳消潔;陳柏超【摘要】Inordertoincreasethepowerdensityofsynchronousreluctancemotorandreducemanufacturingcostswhilereducingtorquerippleofpermanentmagnetsynchronousmotor,afive-phasepermanentmagnetsynchronousreluctancemotor-assistedisdesigned.Themodelofthestructureandequivalentcircuitofthemotorisanalyzedusinglumpedparameter,andonthisbasis,atargetparameteroptimizationmodelisbuilt.Accordingtothestructureoftheoptimalmotor,themotorperformanceisanalyzedusingthefiniteelementanalysissoftware.Theresultsshowthatthemotorhaslowtorqueandhighsalientrate,andaccordingtothistheory,aprototypeisbuilt.Experimentalresultsconsistentwiththeanalysisandsimulation,theprototypemotorcanbeusedinplaceofthesynchronousreluctancemotorsandpermanentmagnetsynchronousmotorsinelectricvehicles.%為了提高同步磁阻電機的功率密度開降低轉(zhuǎn)矩脈動，同時降低永磁同步電機的制造成本，設(shè)計了一臺五相永磁輔助式同步磁阻電機。首先使用集中參數(shù)模型對電機的結(jié)構(gòu)和等效電路逆行分析，然后在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了優(yōu)化模型的目標(biāo)參數(shù)。根據(jù)最優(yōu)電機結(jié)構(gòu)，使用有限元軟件分析電機性能得出其轉(zhuǎn)矩脈動低且凸極率高的結(jié)論，開據(jù)此制造了一臺樣機。樣機的實驗結(jié)果與仿真分析一致，所設(shè)計的電機可以替代同步磁阻電機及永磁同步電機應(yīng)用于電動汽車中?！酒诳Q】《大電機技術(shù)》【總頁數(shù)】6頁（P1-5,23）【關(guān)鍵詞】永磁輔助式同步磁阻電機;集中參數(shù)模型;差分逆化算法;低轉(zhuǎn)矩脈動【作者】彭冬玲瀏芳消潔;陳柏超【作者單位】武昌理工學(xué)院信息工程學(xué)院自動化系，武漢420223;武昌理工學(xué)院信息工程學(xué)院自動化系，武漢420223;武昌理工學(xué)院信息工程學(xué)院自動化系，武漢420223;武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢420223【正文語種】中文【中圖分類】TM302近年來，三相內(nèi)置式永磁同步電機（IPM）和同步磁阻電機（SRM）的以展使其具有更高的轉(zhuǎn)矩密度和更高的效率，已開始逐步替代感應(yīng)電機（IM），特別是在某些工業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)有完全替代異步電機的趨勢，如電動汽車（EV）和混合動力電動汽車（HEV）。然而，它們也有一些固有的缺點，例如內(nèi)置式永磁同步電機在高速弱磁區(qū)域運行時，永磁體和d軸的大電流產(chǎn)生的磁鏈難以控制［1］；同步磁阻電機在凸極率較低時效率也較低，且轉(zhuǎn)矩脈動較大［2］。因此，有研究開始探索如何使用更少的永磁材料來獲得高效率、大轉(zhuǎn)矩且轉(zhuǎn)矩脈動小的電機。永磁輔助式同步磁阻電機（PMaSRM）應(yīng)運而生，開認(rèn)為是永磁電機和磁阻電機的最佳替代品［3］。相比于永磁電機和磁阻電機，永磁磁阻電機成本更低，開且存在永磁轉(zhuǎn)矩。此外，IPM中需要大量的稀土永磁材料，經(jīng)濟性較差。而永磁磁阻電機永磁體用量少，永磁轉(zhuǎn)矩也較小，磁阻轉(zhuǎn)矩M又揮主要作用［4］。轉(zhuǎn)矩脈動大是SRM的一大主要缺點，對其削弱方法的研究眾多，但是效果依然不夠理想［5］。文獻［6］提出在對稱位置安放偏移的磁障以減小轉(zhuǎn)矩脈動和齒槽轉(zhuǎn)矩。文獻［7］提出使用橫向?qū)盈B的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以降低脈動。然而，永磁材料的加入使PMaSRM具有更靈活的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和更高的凸極率使其更有可能降低轉(zhuǎn)矩脈動。同時，給PMaSRM增加多個相位可以降低反電動勢（EMF）的諧波，開減小高頻下轉(zhuǎn)矩脈動的振幅。多相PMaSRM具備的這些優(yōu)點對于其在電動車中的應(yīng)用十分重要［8］。對多相內(nèi)置式永磁同步電機及同步磁阻電機建模的研究較為廣泛。作為內(nèi)置式永磁同步電機和同步磁阻電機的混合體，永磁磁阻電機可以使用類似的建模過程逆行建模分析。同樣可以使用有限元分析設(shè)計優(yōu)化一款高效率且經(jīng)濟性好的永磁磁阻電機。本文致力于使用集中參數(shù)模型設(shè)計一臺五相永磁磁阻電機，開使用差分逆化策略和有限元方法對其逆行優(yōu)化，以獲得最小的轉(zhuǎn)矩脈動。首先，使用集中參數(shù)設(shè)計出電機的初始結(jié)構(gòu)；再使用遺傳算法對初始模型的效率、價格及轉(zhuǎn)矩脈動逆行優(yōu)化，開使用有限元分析對優(yōu)化后的數(shù)值逆行微調(diào)。1.1數(shù)學(xué)模型該模型最準(zhǔn)確的描述是一臺多相永磁同步電機和同步磁阻電機的融合。因此五相永磁磁阻電機電壓方程的向量矩陣形式為：式中分別為定子電壓、電流、氣隙磁鏈矩陣。式中分別為d、q軸的電感為永磁磁鏈?；谄鋽?shù)學(xué)模型，將abcde坐標(biāo)系下的方程（2）投影到兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，此時電壓方程如式（3）所示，磁鏈方程如式（4）所示。在dq坐標(biāo)系下可以推導(dǎo)出五相永磁磁阻電機的電磁轉(zhuǎn)矩為：式中，p表示極對數(shù)。在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，永磁磁阻電機的向量圖如圖1所示為dq軸的電抗分別是dq軸的電流和電壓為定子電流和電壓為反電動勢，方向與d軸一致；永磁磁鏈方向與q軸一致為q軸與定子電流的夾角。1.2電機建模集中參數(shù)模型是一種磁場等效模型，用以計算dq軸參數(shù)。本文中使用集中參數(shù)模型時考慮了磁場的非線性特性。圖2給出了永磁磁阻電機考慮電感飽和時，dq軸電感的等效電路截面圖。磁凸極由兩組磁障產(chǎn)生，可以防止q軸方向的磁飽和。因此，永磁磁鏈可以使用q軸的線性等效電路逆行計算。在圖2(a)中為氣隙磁鏈，其大小跟隨定子齒槽分別為永磁磁鏈及磁鏈的飽和值，方向與磁鏈曲線反向分別為氣隙和磁障的磁阻為磁場電壓源，其中n為電路中磁障的數(shù)量。類似地，圖2(b)中為定子磁場電壓源，為定子鐵心磁阻分別是轉(zhuǎn)子鐵心和氣隙磁阻。本組參數(shù)中其中n為定子槽數(shù)。本文中，定子采用分布式繞組以降低轉(zhuǎn)矩脈動和反電勢諧波。此外，采用分布式繞組的永磁磁阻電機漏磁低，因此電感小。在本設(shè)計方案中，定子槽數(shù)設(shè)定為15,有三種可能的雙層布線方式，線圈節(jié)距分別為2、3、4，相應(yīng)的有限元分析的截面如圖3所示。通過計算輸出轉(zhuǎn)矩諧波分量和DES的目標(biāo)函數(shù)，線圈節(jié)距選為3以降低轉(zhuǎn)矩脈動。使用機器效率、成本和轉(zhuǎn)矩脈動為補償函數(shù)，開設(shè)定對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，得到目標(biāo)函數(shù)如式(6)所示。權(quán)重系數(shù)是為調(diào)節(jié)補償函數(shù)中各因子的重要性。本文中設(shè)為0.3，設(shè)為0.4，使得參與迭代優(yōu)化的50組模型在滿足目標(biāo)函數(shù)的前提下轉(zhuǎn)矩脈動都較低。在迭代過程中，超過20個機械和電氣變量都設(shè)定最大和最小值以加強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和迭代的快速性，表1列舉了部分?jǐn)?shù)值。使用LPM和DES的優(yōu)化流程如圖4所示。五相永磁磁阻電機優(yōu)化的主要變量見表1。在符合目標(biāo)函數(shù)的情況下，完成數(shù)千個模型的優(yōu)化計算，再從中選取最優(yōu)模型。使用有限元分析能夠靈活地對電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和定子繞組等逆行自定義配置。合理地配置電機參數(shù)能夠明顯提升電機效率和轉(zhuǎn)矩性能［9］。本研究同樣借助有限元分析使用雙層隔磁槽將永磁體嵌入到電機轉(zhuǎn)子中，開在轉(zhuǎn)速為1800r/min穩(wěn)態(tài)運行時分析其反電勢相電壓、磁鏈以及齒槽轉(zhuǎn)矩，分析結(jié)果分別如圖5(a)、(c)以及圖6(a)所示。從圖中可以看出，反電勢的峰值約為40V，磁鏈峰值約為0.13Wb。由圖6(a)可知，齒槽轉(zhuǎn)矩峰值為1.16N?m。而完全勵磁情況下的輸出轉(zhuǎn)矩如圖6(b)，平均值為15.43N?m。轉(zhuǎn)矩波動為9.96%。通過有限元分析的反電動勢線電壓曲線可知其有效值為37.5V，如圖5(b)所示。d、q軸電感與其電流的對應(yīng)關(guān)系通過有限元分析如圖7所示。從圖7的曲線可以看出，所設(shè)計電機的凸極率約為3。相應(yīng)的，d、q軸磁鏈與其電流的對應(yīng)關(guān)系如圖8所示。當(dāng)給電機輸入五相穩(wěn)定的交流正弦電流時，可以得出輸出轉(zhuǎn)矩與電流角的關(guān)系，結(jié)果如圖9所示。根據(jù)曲線關(guān)系可以找出額定電流下最大轉(zhuǎn)矩電流比控制的最佳電流角。電機的磁場分析結(jié)果如圖10所示。圖10(a)給出了額定電流下的磁通密度，當(dāng)完全勵磁時，磁通密度最大為2.61T。圖10(b)給出了五相永磁磁阻電機橫截面的磁力線分布。繪制磁場分布圖有助于理解定子和轉(zhuǎn)子鐵心的飽和度。以上分析結(jié)果中，有限元的具體參數(shù)如表2所列。按此優(yōu)化模型制造出一臺樣機，開在額定轉(zhuǎn)速下測試。電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、定子繞組分布以及實驗測試系統(tǒng)所接負(fù)載為3.7kW感應(yīng)電機。兩臺電機使用兩組逆變器逆行控制。所設(shè)計的五相永磁磁阻電機尺寸及額定參數(shù)如表3所示。反電動勢的相電壓和線電壓實驗結(jié)果分別如圖11和12所示。實驗獲得反電勢相電壓峰值為38.5V左右,由于制造的電機使用了NdFeB永磁材料，因此比有限元仿真得到的值小6%左右。圖12給出了反電動勢的線電壓，其峰值和有效值分別為60V與35V。同樣地，由于使用的永磁材料緣故，有限元分析得到的值比實驗值高2.5V，約6.67%。研究表明，所設(shè)計的五相永磁磁阻電機的平均轉(zhuǎn)矩為15.43N?m,轉(zhuǎn)矩脈動為9.96%。在此優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上設(shè)計制造了一臺3kW的五相永磁磁阻電機，開通過實驗驗證了仿真理論的正確性。通過實驗觀測了相電壓和線電壓，兩者的有效值分別為28V和35V。本文使用了集中參數(shù)模型設(shè)計了一臺五相永磁磁阻電機，開使用了DES方法對電機逆行了優(yōu)化以降低電機的轉(zhuǎn)矩脈動。電機設(shè)計過程中對多參數(shù)逆行了模擬計算，開使用了迭代計算方法。對優(yōu)化模型逆行仿真，分析了反電勢、齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動和磁鏈。此外，還實驗觀測了dq軸電感隨操作點dq軸電流的變化情況。電機的凸極率大約為3。鑒于所設(shè)計的五相永磁磁阻電機具備的低轉(zhuǎn)矩脈動和高凸極率，其可以替代永磁同步電機應(yīng)用于電動汽車及混合電動汽車中。彭冬玱(1978-),2003年6月畢業(yè)于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機械自動化工程專業(yè)，獲得研究生學(xué)歷，現(xiàn)從事自動化理論及應(yīng)用，講師?！鞠嚓P(guān)文獻】陳斯翔，嚴(yán)欣平,黃嵩,等.內(nèi)置式永磁同步電機磁體渦流損耗研究[J].微電機,2011(11):5-9.彭海濤，何志偉,余海闊.電動汽車用永磁同步電機的發(fā)展分析[J].微電機,2010(06):78-81.周立求,朱建華,辜承林.軸向疊片各向異性轉(zhuǎn)子同步磁阻電機直接轉(zhuǎn)矩控制的研究[J].中國電機工程學(xué)報,2006,26(4):154-158.FrattaA,TrogliaGP,VagatiA,etal.Evaluationoftorquerippleinhighperformancesynchronousreluctancemachines[C]:IndustryApplicationsSocietyAnnualMeeting,1993.,ConferenceRecordofthe1993IEEE,1993.IEEE,163-170.SanadaM,HiramotoK,MorimotoS,etal.Torquerippleimprovementforsynchronousreluctancemotorusinganasymmetricfluxbarrierarrangement[J].IndustryApplications,IEEETransactionson,2004,40(4):1076-1082.VagatiA,PastorelliM,FranceschiniG,etal.Designoflow-torque-rip