低轉(zhuǎn)矩脈動同步磁阻電機(jī)設(shè)計優(yōu)化分析

譚鳳倩，張彥峰

(1.東營市赫邦化工有限公司，山東 東營 257000；2.東營市科德化工有限公司，山東 東營 257000)

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低轉(zhuǎn)矩脈動同步磁阻電機(jī)設(shè)計優(yōu)化分析

譚鳳倩1，張彥峰2

(1.東營市赫邦化工有限公司，山東 東營 257000；2.東營市科德化工有限公司，山東 東營 257000)

為完成對低轉(zhuǎn)矩脈動同步磁阻電機(jī)的設(shè)計工作，借鑒了同步磁阻電機(jī)的相關(guān)研究成果，結(jié)合個人實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)，提出了轉(zhuǎn)子不對稱結(jié)構(gòu)的想法，以期降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，并對同步磁阻電機(jī)展開多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計研究，通過有限元對該方案的合理性進(jìn)行驗(yàn)證分析。

低轉(zhuǎn)矩；同步磁阻電機(jī)；設(shè)計優(yōu)化；多目標(biāo)

轉(zhuǎn)子上沒有勵磁繞組與永磁體是同步磁阻電機(jī)與電勵磁、永磁同步電機(jī)之間最大的差別。因此，轉(zhuǎn)子也無法產(chǎn)生磁場，必須由不同的直、交軸磁路所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，為其運(yùn)行提供必需的轉(zhuǎn)矩，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換工作。這使得不具備永磁材料的同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子磁阻分布極為不均勻，不僅產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動較大，電機(jī)功率也較低。針對這一問題，國內(nèi)、外學(xué)者已先后展開了一系列實(shí)踐研究，筆者借鑒其研究成果，通過對同步磁阻電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計，以期提升電機(jī)性能，并利用有限元分析法，對方案的有效性加以驗(yàn)證，以供參考。

1 低轉(zhuǎn)矩脈動同步磁阻電機(jī)的設(shè)計優(yōu)化分析

與普通的永磁同步電機(jī)一樣，轉(zhuǎn)子也是同步磁阻電機(jī)的設(shè)計難點(diǎn)與重點(diǎn)。如圖1(a)所示，這是同步磁阻電機(jī)典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，可以看到該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用的是3層磁障對稱結(jié)構(gòu)，定子齒與轉(zhuǎn)子4組磁障間處于相同的相對位置，在同一時間內(nèi)二者相遇時也會相互分離，造成不連續(xù)性磁阻出現(xiàn)變化，此時的轉(zhuǎn)矩脈動較大。為進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)矩脈動，避免定子齒與轉(zhuǎn)子磁障產(chǎn)生同一時間內(nèi)相遇并分離的問題，建議基于轉(zhuǎn)子磁障的對稱結(jié)構(gòu)，對其中的1組磁障位置進(jìn)行確定，另外3組磁障則分別按照逆時針方向進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，以θ、2θ、3θ的電角度偏轉(zhuǎn)，使定子齒與轉(zhuǎn)子磁障處于不同的相對位置之上，將轉(zhuǎn)子設(shè)計為不對稱結(jié)構(gòu)，如圖1(b)結(jié)構(gòu)剖析圖所示。

圖1 同步磁阻電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Synchronous reluctance motor topology diagram

筆者通過建立實(shí)際模型數(shù)據(jù)的方法，進(jìn)行具體分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)是否合理?？稍O(shè)計2臺，4極3 kW的同步磁阻電機(jī)，保持各項參數(shù)的一致性，對其中一臺同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子采用不對稱結(jié)構(gòu)，另一臺轉(zhuǎn)子采用對稱結(jié)構(gòu)。分別為這兩臺電機(jī)進(jìn)行有限元建模，圖2為兩臺電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動對比圖。通過圖2可以看到，在平均輸出轉(zhuǎn)矩上，兩臺電機(jī)數(shù)值十分相近，而在三相SRM轉(zhuǎn)矩脈動上，采用不對稱結(jié)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動較小。在實(shí)際加工過程中，考慮到SRM中的磁障為空氣槽，電機(jī)轉(zhuǎn)子不對稱結(jié)構(gòu)勢必會引發(fā)轉(zhuǎn)子質(zhì)量的不均勻，因此可采取硅鋼片疊加方法，將一半的硅鋼片旋轉(zhuǎn)180°以后進(jìn)行疊壓安裝，解決電機(jī)質(zhì)量的不均勻問題，進(jìn)而滿足低轉(zhuǎn)矩脈動同步磁阻電機(jī)的設(shè)計工作。

圖2 同步磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子對稱和不對稱結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩脈動對比Fig.2 Comparison of torque ripple of symmetrical and asymmetrical structures of synchronous reluctance motor

2 田口試驗(yàn)法與遺傳算法

田口試驗(yàn)法是較為新穎的優(yōu)化方法，可以在一次試驗(yàn)中擁有多個控制因子、優(yōu)化目標(biāo)，從而以最少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)對優(yōu)化參數(shù)的最佳組合。筆者結(jié)合相關(guān)參考文獻(xiàn)，根據(jù)田口試驗(yàn)法的應(yīng)用原則與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對低轉(zhuǎn)矩脈動SRM的優(yōu)化變量進(jìn)行確認(rèn)。首先，對影響電機(jī)設(shè)計變量的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，選擇7個變量。通過對7個變量的處理，得到5個控制因子。其次，對5個控制因子進(jìn)行有限元分析，處理后所得結(jié)果即為每個控制因子的合理變化范圍，并運(yùn)用控制因子的水平數(shù)建立正交表，得到正交結(jié)果，如表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Orthogonal experimental results

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果，運(yùn)用方差分析法，求出控制因子對每個優(yōu)化目標(biāo)的影響比重。

公式中：各個因素的水平數(shù)用m表示；試驗(yàn)次數(shù)用n表示；每個水平的實(shí)驗(yàn)次數(shù)用t表示；各個試驗(yàn)指標(biāo)第i次的試驗(yàn)記錄值用y1表示；第j列的影子水平m的t值試驗(yàn)所對應(yīng)的品質(zhì)特性和用Sjm表示。公式中：m、n、t、y1、Sjm分別表示各個因素的水平數(shù)、試驗(yàn)次數(shù)、實(shí)驗(yàn)次數(shù)、試驗(yàn)記錄值、試驗(yàn)對應(yīng)的品質(zhì)特性。經(jīng)過上述公式計算，可以得到各個控制因子對SRM轉(zhuǎn)矩脈動、效率、功率因素優(yōu)化目標(biāo)的影響比重，進(jìn)一步確定優(yōu)化變量。

基于田口實(shí)驗(yàn)法求出優(yōu)化變量，利用正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化配置遺傳算法參數(shù)，可更好地開展低轉(zhuǎn)矩脈動同步磁阻電機(jī)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計研究工作，從而改善遺傳算法的尋優(yōu)性能與收斂速度。同步磁阻電機(jī)多目標(biāo)優(yōu)化前、后性能對比數(shù)據(jù)如表2所示，可以看到，通過多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計后的同步磁阻電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動大大降低，功率因素與電機(jī)效率同步提高，可謂全面提升了電機(jī)性能。

表2 多目標(biāo)優(yōu)化前、后的SRM性能對比Tab.2 Comparison of SRM performance before and after multi-objective optimization

3 結(jié)語

借鑒學(xué)者們的成功經(jīng)驗(yàn)，提出利用不對稱轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計同步磁阻電機(jī)的方法，并運(yùn)用田口試驗(yàn)法和有限元分析法，驗(yàn)證了該設(shè)計方案的科學(xué)有效性，以期為低轉(zhuǎn)矩脈動同步磁阻電機(jī)的設(shè)計工作提供一些有益的參考建議，從而促進(jìn)我國電機(jī)行業(yè)的良好發(fā)展。

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Design optimization of low-torque pulsating synchronous reluctance motor

TAN Feng-qian1,ZHANG Yan-feng2

(1.Dongying Hebang Chemical Co.,Ltd.,Dongying 257000,China; 2.Dongying Kede Chemical Co.,Ltd.,Dongying 257000,China)

In order to complete the design of low-torque pulsating synchronous reluctance motor,the related research results of synchronous reluctance motor were utilized combining with the personal practical experience,the idea of asymmetric structure of the rotor is put forward in order to reduce the torque. The multi-objective optimization design of synchronous reluctance motor is studied,and the rationality of the scheme is verified by finite element method.

Low torque; Synchronous reluctance motor; Design optimization; Multi-objective

2016-12-29

譚鳳倩(1974-)，女。

TM352

A

1674-8646(2017)06-0136-02