一种永磁无刷直流电机齿槽转矩优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种永磁无刷直流电机齿槽转矩优化设计方法，永磁无刷直流电机采用分数槽绕组，其特征在于：具体步骤如下：1)用有限元软件进行参数化建模，实现电机几何参数的合适选择；2)应用优化算法对电机进行优化设计；3)组建综合平台对电机进行参数化建模并进行批处理计算。用有限元软件进行参数化建模，对电机电磁场进行分析，根据优化目标和约束条件，选取合适的电机几何参数作为优化变量。应用编程语言搭建链接优化算法与有限元计算的综合优化平台，直接输入优化参数即可后台调用有限元软件对电机进行参数化建模并进行批处理计算。具有直观、程序结构合理、运算速度快，计算结果精度高等优点。

Cogging torque optimization design method of permanent magnet brushless DC motor

The invention discloses a permanent magnet brushless DC motor cogging torque optimization design method of permanent magnet brushless DC motor with fractional slot winding, which is characterized in that: the specific steps are as follows: 1) parametric modeling by finite element software, the right choice to realize the geometric parameters of the motor; 2) using optimization algorithm to optimize the design the motor; 3) to form a comprehensive platform for parametric modeling of motor and batch calculation. Parametric modeling of finite element software is used to analyze the electromagnetic field of the motor. According to the optimization target and the constraint condition, the appropriate motor geometry parameters are chosen as the optimization variables. The integrated optimization platform of link optimization algorithm and finite element calculation is constructed by using programming language, and the input parameters are input directly. Then the finite element software is used to parameterize the motor and batch calculation is done. The utility model has the advantages of direct viewing, reasonable program structure, fast operation speed and high precision of calculation results.

【技术实现步骤摘要】
一种永磁无刷直流电机齿槽转矩优化设计方法
本专利技术涉及对永磁电机本体结构进行优化设计，从整体上提高电机性能，特别是分数槽集中绕组永磁无刷直流电机优化设计。
技术介绍
近年来随着永磁同步电机设计理论的不断创新，控制理论的不断发展，定子电枢绕组采用分数槽形式已经成为主要的发展方向之一，在中小型功率领域更是得到了广泛采用。文献“车用永磁同步电机径向电磁振动特性”(电机与控制学报，2012，16(5)，P33-39)，通过有限元方法对分数槽绕组永磁同步电机中的电磁振动现象进行分析比较，提出一种旨在对电磁力谐波进行抑制的方法来削弱电磁振动现象。文献“分数槽永磁同步电机电磁振动的分析与抑制”(中国电机学报，2011，31(24)，P83-89)通过对永磁同步电机不同极槽数配合来研究其对电机振动和噪声的影响，运用有限元方法得出各次谐波幅值，并计算出了电机的电磁噪声。上述的优化可以一定程度上提高系统效率，但无法弥补由于电机本体设计效率低下带来的能耗损失。因此，提高电机本体性能，才能从根本上提升电动机系统的能效水平。优化设计的目的是，求得永磁同步电动机电磁部分的一组设计参数，以便在满足电动机各项性能要求的前提下，成本费用最低或收效最大。
技术实现思路
本专利技术针对分数槽集中绕组永磁无刷直流电机齿槽转矩优化设计方法，提出如下技术方案：设计方法具体步骤如下：1)用有限元软件进行参数化建模，实现电机几何参数的合适选择；2)应用优化算法对电机进行优化设计；3)组建综合平台对电机进行参数化建模并进行批处理计算。在步骤1)中用有限元软件进行参数化建模，实现电机几何参数的合适选择，即在电磁场有限元分析方法软件建立分数槽集中绕组永磁电机模型，实现批处理计算，使用通用后处理器观看整个模型或模型的一部分在某一时间上针对特定载荷组合时的结果，对电机电磁场进行分析，根据优化目标和约束条件，选取合适的电机几何参数作为优化变量。在步骤2)中应用优化算法对电机进行优化设计，即运用优化算法对在步骤1)中选择电机几何参数的不断进行优化，求取目标函数的极值，得到优化结果，实现对永磁电机的设计优化。在步骤3)中组建综合平台对电机进行参数化建模并进行批处理计算，有限元软件中建模后进行磁场分析得出的需优化参数为基础，使用优化算法对其进行优化，应用编程语言搭建链接优化算法与有限元计算的综合优化平台，直接输入优化参数即可后台调用有限元软件对电机进行参数化建模并进行批处理计算。优化电机的具体数学模型如下：在永磁无刷直流电机中，假设电枢铁心磁导率无穷大，不通电时，电机内存储的磁能可近似表示为永磁体和气隙中的磁能之和，即：磁场能量取决于电机的结构尺寸、永磁体性能以及定转子相对位置，气隙磁通密度沿电枢表面的分布可表示为：式中，Br(θ)是永磁剩磁磁通密度分布；δ(θ，α)为有效气隙长度；hm(θ)为永磁体充磁方向长度沿圆周方向分布，(2)式可以表示为：其中Br2(θ)的傅里叶展开为：式中，Br0＝αpBr2；Brn＝2Br2sin(nαpπ)/nπ；Br为永磁体剩磁；αp为永磁磁极的极弧系数，对进行傅里叶展开(暂时不考虑定转子相对位置影响)为：不考虑斜槽时，将(2)、(3)、(4)式代入(1)式得到齿槽转矩的表达式：式中，La为电枢铁心的轴向长度；R1和R2分别为电枢外半径和定子轭内半径；n为使nz/2p为整数的整数，永磁无刷直流电机的优化设计可表述为一个约束非线性离散混合规划问题，优化模型如式(7)所示：式中，f(x)是电机优化的目标函数，gi(x)是约束条件，[aj，bj]，j＝1，2，3，...，n是各个变量的取值范围。本专利技术的技术方案有如下积极效果：1)永磁电机优化时，一般选择几何参数作为设计变量，与选择电磁参数相比，具有直观、程序结构合理、运算速度快等优点。2)变量选择要遵循独立性原则，且变量数目要合适，对于中小型电动机通常控制在10个左右，如果约束条件包含对某些几何尺寸的调整限制，变量数目可相应减少。3)同一组变量参数顺序的改变也可能影响优化结果，可按照优化目标对参数的敏感程度来安排顺序。4)优化设计的方向和结果受到目标函数的直接影响。5)合理的约束标准才能导致合理的优化结果。6)通过软件平台将优化算法与电磁场数值计算进行程序链接来实现，则计算结果精度高。附图说明图1软件调用ANSYS程序设计结构流程图具体实施方式1.分数槽集中绕组永磁无刷直流电机永磁电机由永磁体产生磁场，因而无需励磁绕组和励磁电源，结构简单、损耗小，具有效率高、功率密度高等显著优点。随着永磁材料性能的提高和完善，特别是稀土永磁材料的发展，永磁电动机的性能得到进一步提升，在能效方面表现出电励磁电动机难以匹敌的的优越性。通常，电机设计中都是将磁场简化为磁路，通过磁路计算出电机气隙磁密，根据经验公式求得电机的相关参数。然而这样得到的电机参数为近似值，需要加上修正系数并进行反复的验证和修改，这就使得电机设计周期较长，也无法保证计算结果的精确性。搭建链接有限元软件与优化算法的优化平台对电机进行设计优化，不仅计算精度高、速度快，可以缩短电机设计的周期，还可以对非常规结构的电机进行设计和研究。无刷直流电机与调速永磁同步电机具有类似的结构，定子均为多相绕组，永磁体设置在转子上，两种电机的本质差异为无刷直流电机能够通过检测转子位置实现自同步。同时，两种电机都取消了电刷换向器，大大提高了可靠性，由于电机的损耗主要来自定子侧，散热条件更加良好。电机采用分数槽绕组，在许多方面具有优越的性能：利用有限的电机槽数以配合电机转速较低，极对数较多的情况，定子槽利用率高；定转子不需采用斜槽、斜极即能将齿槽转矩降至很小，且转矩脉动小；利用其等效分布作用和对反电势谐波的削弱作用，能够有效的提高绕组利用率，改善电动势波形。总之，永磁同步电机采用分数槽绕组能提高电机效率和功率密度，改善电机整体性能，节约成本。近年来随着永磁同步电机设计理论的不断创新，控制理论的不断发展，定子电枢绕组采用分数槽形式已经成为主要的发展方向之一，在中小型功率领域更是得到了广泛采用。2.分数槽集中绕组结构(1)对于多极的正弦波交流永磁伺服电动机，可采用较少的定子槽数，有利于提高槽满率及电机性能。同时，较少的元件数可以简化嵌线工艺和接线，有助于降低成本。(2)十分适合线圈节距y＝1的集中式绕组设计，线圈绕在一个齿上，缩短了线圈周长和端部伸出长度，减少了用铜量；线圈的端部没有重叠，可不放置相同绝缘。(3)拥有较薄的定子轭部和短的绕组端部，充分利用电机的有效空间，实现高功率密度。(4)方便使用专用绕线机，直接将线圈绕在齿上，取代传统嵌线工艺，提高工效，方便大规模生产。(5)提高电机性能，提高槽满率，缩短线圈周长和端部伸出长度，电机绕组电阻减小，铜损降低，进而提高电机效率和降低温升。(6)降低齿槽反应转矩，有利于减小振动和噪声。(7)可以很容易实现多极设计，特别适合低速大转矩的设计要求，如直驱式风力发电机、无齿曳引机等。3.永磁电机齿槽转矩在永磁电机中，永磁体和有槽电枢铁心相互作用，不可避免的产生齿槽转矩。永磁电机的齿槽转矩是转子永磁体磁场同定子铁心的齿槽相互作用在圆周方向产生的转矩，当电动机旋转时，齿槽转矩表现为一种附加的转矩脉动，虽然它不会使电动机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种永磁无刷直流电机齿槽转矩优化设计方法，永磁无刷直流电机采用分数槽绕组，其特征在于：具体步骤如下：1)用有限元软件进行参数化建模，实现电机几何参数的合适选择；2)应用优化算法对电机进行优化设计；3)组建综合平台对电机进行参数化建模并进行批处理计算。

【技术特征摘要】
1.一种永磁无刷直流电机齿槽转矩优化设计方法，永磁无刷直流电机采用分数槽绕组，其特征在于：具体步骤如下：1)用有限元软件进行参数化建模，实现电机几何参数的合适选择；2)应用优化算法对电机进行优化设计；3)组建综合平台对电机进行参数化建模并进行批处理计算。2.根据权利要求1所属的永磁无刷直流电机齿槽转矩优化设计方法，其特征在于：所述用有限元软件进行参数化建模，实现电机几何参数的合适选择，即在电磁场有限元分析方法软件建立分数槽集中绕组永磁电机模型，实现批处理计算，使用通用后处理器观看整个模型或模型的一部分在某一时间上针对特定载荷组合时的结果，对电机电磁场进行分析，根据优化目标和约束条件，选取合适的电机几何参数作为优化变量。3.根据权利要求2所属的永磁无刷直流电机齿槽转矩优化设计方法，其特征在于：所述有限元软件为ANSYS。4.根据权利要求1所属的永磁无刷直流电机齿槽转矩优化设计方法，其特征在于：所述应用优化算法对电机进行优化设计，即运用优化算法对在步骤1)中选择电机几何参数的不断进行优化，求取目标函数的极值，得到优化结果，实现对永磁电机的设计优化。5.根据权利要求2所属的永磁无刷直流电机齿槽转矩优化设计方法，其特征在于：所述优化算法为差分进化算法或模拟退火算法或遗传算法或禁忌搜索算法或粒子群优化算法。6.根据权利要求5所属的永磁无刷直流电机齿槽转矩优化设计方法，其特征在于：所述组建综合平台对电机进行参数化建模并进行批处理计算，有限元软件中建模后进行磁场分析得出的需优化参数为基础，使用优化算法对其进行优化，应用编程语言搭建链接优化算法与有限元计算的综合优化平台，直接输入优化参数即可后台调用有限元软件对电机进行参数化建模并进行批处理计算，具体数学模型如下：在永磁无刷直流电机中，假设电枢铁心磁导率无穷大，不通电时，电机内存储的磁能可近似表示为永磁体和气隙中的磁能之和，即：磁场能量取决于电机的结构尺寸、永磁体性能以及定转子相对位置，气隙磁通密度沿电枢表面的分布可表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，章琼方，孙炜，赵竹苑，金天，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32