一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机技术

本发明专利技术公开了一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机，涉及永磁电机设计领域。其结构包括定子、电枢绕组、转子、转子永磁体、转子铁心空气槽和转轴；所述转子围绕所述转轴外部设置，所述定子围绕所述转子外部设置，所述电枢绕组设置在所述定子上，所述转子铁心的每一极沿径向由外到内设置第一永磁体和第二永磁体，所述转子铁心空气槽依据拓扑优化法设置于两两永磁极之间。本发明专利技术以输出电压畸变率和幅值为优化目标，使用参数优化法设计电机各部尺寸。依据参数优化后磁密分布，采用基于遗传算法的拓扑优化法优化电机转子部分铁心分布，达到轻量化目的。本发明专利技术所述发电机结构设计与方法能减少永磁体用量，引导磁场分布，提高功率密度。提高功率密度。提高功率密度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机


[0001]本专利技术涉及永磁同步电机设计领域，尤其涉及一种基于拓扑优化方法的新型航空用双层开气隙不对称发电机结构设计方法。

技术介绍

[0002]永磁同步电机凭借其自身结构简单、功率密度高、内部损耗小等特点，在军事、工业等领域获得了广泛的应用。相较于异步电机，其具有功率因数高、力矩惯量比大、控制性能好等优势；相较于直流电机，其无需换向器和电刷，具有可靠性高、适用范围广、维护成本低等优势。但是，永磁同步电机的制造需要消耗大量稀土永磁材料，导致其造价昂贵，因此在保证电机使用性能和可靠性的基础上，降低永磁同步电机永磁材料的使用成为近年来研究热点。
[0003]在交替极电机的转子中，相较于传统永磁转子的N极永磁体与S极永磁体交替分布，其所有S极永磁体为铁心所替代，由永磁磁极和相邻铁心凸极构成一对极，因此可以大大降低永磁体使用量。但是现有交替极电机一对极下的磁力线仅穿过一块永磁体，相较于普通永磁同步电机磁力线穿过两块永磁体，其dq轴电感差值较小，产生的电磁转矩也因此降低。采用铁心替代部分永磁体，可能导致输出电压畸变，对负载造成影响，同时对于电机本身的质量并没有改善。因此，如何提高交替极转子永磁同步电机的电压质量同时实现电机的轻量化设计是本专利技术亟需解决的问题。
[0004]与此同时，多电飞机和全电飞机的广泛应用对航空用电机提出了更高的要求，考虑到涉及航空领域的电机需要占空小，质量轻，功率大，电机的轻量化设计方法成为电机设计的重点问题。

技术实现思路

[0005]技术问题：针对现有技术缺陷，本专利技术旨在提供一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机，通过优化电机自身参数、改善转子内永磁体、空气隙分布，解决交替极转子永磁同步电机输出电压畸变、电机本身质量过大的问题。
[0006]技术方案：本专利技术的一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机包括定子、电枢绕组、混合永磁转子、非导磁转轴；所述定子的内侧沿定子轭圆周设有定子铁心齿，在两定子铁心齿之间形成齿槽，电枢绕组位于该齿槽内；混合永磁转子固定在非导磁转轴外周并放置在定子中的空腔内，混合永磁转子有多个永磁极，每一个永磁极沿径向由外到内设置第一层永磁体和第二层永磁体形成一组混合永磁体，且对称分布在混合永磁转子圆周内，在各组混合永磁体之间设有类三角形的空气槽。
[0007]所述永磁极的第一层永磁体均匀分布在转子圆周内部，每个永磁极的第一层永磁体分为四段永磁块即第一永磁块、第二永磁块、第三永磁块、第四永磁块，第一永磁块和第四永磁块为径向放置的永磁体，第二永磁块和第三永磁块为切向放置的永磁体；第一永磁块、第二永磁块、第三永磁块、第四永磁块顺序排列构成一个“C”形结构，其中，在第一永磁
块、第二永磁块与第三永磁块、第四永磁块之间设有三角形磁障，第一永磁块、第二永磁块与第三永磁块、第四永磁块以轴对称形式位于三角形磁障的两旁被三角形磁障隔开，第一永磁块与第二永磁块之间以及第三永磁块与第四永磁块之间分别设有第一磁桥，第一永磁块、第四永磁块的外侧与混合永磁转子外侧紧贴。
[0008]所述永磁极的第二层永磁体包围在第一层永磁体外，每个永磁极的第一层永磁体外分别设有一个第二层永磁体；每个永磁极中的第二层永磁体分为四段永磁块即第五永磁块、第六永磁块、第七永磁块、第八永磁块，第五永磁块和第八永磁块为径向放置的永磁体，第六永磁块和第七永磁块为切向放置的永磁体；第五永磁块、第六永磁块、第七永磁块、第八永磁块顺序排列构成一个“C”形结构，其中，第五永磁块、第六永磁块与第七永磁块、第八永磁块之间设有三角形磁障，第五永磁块、第六永磁块与第七永磁块、第八永磁块以轴对称形式位于三角形磁障的两旁被三角形磁障隔开，第五永磁块与第六永磁块之间以及第七永磁块、第八永磁块之间分别设有第二磁桥；第五永磁块和第八永磁块的外侧与混合永磁转子的外侧不完全贴合，其间由气隙填充。
[0009]所述第二层永磁体的矫顽力大于第一层永磁体的矫顽力。
[0010]所述三角形磁障的形状为等边三角形，设置的位置为等边三角形的底边靠近非导磁转轴一侧，等边三角形底边的对角靠近混合永磁转子的外边缘。
[0011]所述第一磁桥、第二磁桥的形状为三角形，其中该三角形的两条边分别与永磁块的一条边相连。
[0012]所述混合永磁转子还包括转子铁心，采用永磁极与转子铁心交替设置的结构，即用转子铁心作为铁心极代替部分永磁极形成铁心极与永磁极相间设置的混合磁极结构，起到聚磁的作用，在保持输出容量的同时减少永磁体的数量，降低成本。
[0013]所述混合永磁转子，使用拓扑优化方法对混合永磁转子两两永磁极之间的地方进行轻量化，形成各组混合永磁体之间为类三角形的空气槽，以降低输出电压的畸变率和提高输出电压幅值作为优化目标。
[0014]所述类三角形的空气槽有三个，由拓扑优化方法得出位置与形状，三个类三角形的空气槽待优化区域以转轴为中心，分别处在两两永磁极之间，各自相距120度；第一类三角形的空气槽优化区域设计为全面积的空气槽；第二类三角形空气槽优化区域设计为四分之三面积的空气槽，即类三角形的空气槽待优化区域靠近转轴一侧的四分之一面积设为铁心材；第三类三角形空气槽优化区域设计为四分之一面积的空气槽，即类三角形的空气槽待优化区域远离转轴一侧的一个角为空气槽，其他区域设为铁心材，形成不对称转子结构。
[0015]所述由拓扑优化方法得出位置与形状，具体为：第一步，对所述不对称转子结构的参数化建模，将所述定子、混合永磁转子、齿槽、永磁体和空气槽尺寸分别设置为可变参数并给定参数的范围，将上述每一个部件的参数分别在其大小范围内进行随机选取一个，再将每一个部件随机选取的一个参数组合成为一个参数组合，共选多组，以输出电压的畸变率最小和输出电压幅值最高作为优化目标，进行参数优化设计，找出满足优化目标的最优组合；第二步，所述拓扑优化方法基于高斯网格形成，对该电机两混合永磁体之间的类三角形区域即优化区域分解为有限个数的高斯网络单元表示，高斯网格均匀分布在坐标系中，为所有的高斯网格单元设置相同的各向同性偏差；根据高斯网格单元确定的归一化高
斯函数的加权和作为形状函数表征此类三角形区域几何结构的形状；根据该几何结构结合每个高斯网格有限元所表征的材料属性，得到高斯网格有限元的构成材料与材料分布情况；第三步，所述拓扑优化方法基于遗传算法收敛，把所述的优化区域离散成有限个单元的基结构，对这些单元分别设置开、关两种状态，分别代表该单元使用钢和空气材料，将优化区域的电磁计算，转换为对有限个单元组成的基结构在不同的材料构成情况下的电磁计算，以输出电压的畸变率最低和输出电压幅值最高作为优化目标，根据遗传算法计算确定优化区域中各个有限单元的开关状态，得到最优的开关状态组合和最优的电磁计算结果，即可确定优化区域中不同区域的构成材料，形成最终的不对称拓扑结构，从而实现拓扑优化。
[0016]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：1、通过交替极转子结构设计，大本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机，其特征在于该发电机包括定子（1）、电枢绕组（2）、混合永磁转子（3）、非导磁转轴（4）；所述定子（1）的内侧沿定子轭（1.2）圆周设有定子铁心齿（1.1），在两定子铁心齿（1.1）之间形成齿槽，电枢绕组（2）位于该齿槽内；混合永磁转子（3）固定在非导磁转轴（4）外周并放置在定子（1）中的空腔内，混合永磁转子（3）有多个永磁极，每一个永磁极沿径向由外到内设置第一层永磁体（3.2）和第二层永磁体（3.3）形成一组混合永磁体且对称分布在混合永磁转子（3）圆周内，在各组混合永磁体之间设有类三角形的空气槽。2.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机，其特征在于，所述永磁极的第一层永磁体（3.2）均匀分布在转子圆周内部，每个永磁极的第一层永磁体（3.2）分为四段永磁块即第一永磁块（3.2.1）、第二永磁块（3.2.2）、第三永磁块（3.2.3）、第四永磁块（3.2.4），第一永磁块（3.2.1）和第四永磁块（3.2.4）为径向放置的永磁体，第二永磁块（3.2.2）和第三永磁块（3.2.3）为切向放置的永磁体；第一永磁块（3.2.1）、第二永磁块（3.2.2）、第三永磁块（3.2.3）、第四永磁块（3.2.4）顺序排列构成一个“C”形结构，其中，在第一永磁块（3.2.1）、第二永磁块（3.2.2）与第三永磁块（3.2.3）、第四永磁块（3.2.4）之间设有三角形磁障（3.4），第一永磁块（3.2.1）、第二永磁块（3.2.2）与第三永磁块（3.2.3）、第四永磁块（3.2.4）以轴对称形式位于三角形磁障（3.4）的两旁被三角形磁障（3.4）隔开，第一永磁块（3.2.1）与第二永磁块（3.2.2）之间以及第三永磁块（3.2.3）与第四永磁块（3.2.4）之间分别设有第一磁桥（3.5），第一永磁块（3.2.1）、第四永磁块（3.2.4）的外侧与混合永磁转子（3）外侧紧贴。3.根据权利要求1所述的一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机，其特征在于，所述永磁极的第二层永磁体（3.3）包围在第一层永磁体（3.2）外，每个永磁极的第一层永磁体（3.2）外分别设有一个第二层永磁体（3.3）；每个永磁极中的第二层永磁体（3.3）分为四段永磁块即第五永磁块（3.3.1）、第六永磁块（3.3.2）、第七永磁块（3.3.3）、第八永磁块（3.3.4），第五永磁块（3.3.1）和第八永磁块（3.3.4）为径向放置的永磁体，第六永磁块（3.3.2）和第七永磁块（3.3.3）为切向放置的永磁体；第五永磁块（3.3.1）、第六永磁块（3.3.2）、第七永磁块（3.3.3）、第八永磁块（3.3.4）顺序排列构成一个“C”形结构，其中，第五永磁块（3.3.1）、第六永磁块（3.3.2）与第七永磁块（3.3.3）、第八永磁块（3.3.4）之间设有三角形磁障（3.4），第五永磁块（3.3.1）、第六永磁块（3.3.2）与第七永磁块（3.3.3）、第八永磁块（3.3.4）以轴对称形式位于三角形磁障（3.4）的两旁被三角形磁障（3.4）隔开，第五永磁块（3.3.1）与第六永磁块（3.3.2）之间以及第七永磁块（3.3.3）、第八永磁块（3.3.4）之间分别设有第二磁桥（3.6）；第五永磁块（3.3.1）和第八永磁块（3.3.4）的外侧与混合永磁转子（3）的外侧不完全贴合，其间由气隙填充。4.根据权利要求3所述的一种基于拓扑优化方法的航空用双层开气隙不对称发电机，其特征在于，所述第二层永磁体（3.3）的矫顽力大于第一层永磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈海牛，房淑华，王翌丞，雷佳鑫，秦岭，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：