一種改進型軸向永磁調速器及其參數優化方法的研究

邱力偉，關煥新，郭振亞，邵　偉，高慶忠

(1.沈陽工程學院，遼寧　沈陽　110136；2．國網錦州市太和區供電分公司，遼寧　錦州　121000)

永磁調速器的原理是通過永磁轉子的磁場與導體銅轉子上形成的渦流場之間的耦合效應傳遞轉矩[1],它能消除電機軸與負載軸之間的剛性聯接,是一種新型非接觸式的傳動和調速裝置。與傳統調速設備相比，其主要優點是無諧波污染、轉矩傳遞效率高、有效減少振動以及軟啟動等，因此廣泛應用于電機調速節能、大型旋轉設備的轉速控制等領域，其結構如圖1 所示。

圖1　軸向永磁調速器結構

永磁調速器采用非接觸式傳動雖然能夠減緩振動，但是并不能消除振動，一旦形成共振將對設備造成不可逆的破壞；另一方面由于永磁調速器利用渦流效應工作,就不可避免造成渦流損耗進而產生熱量，致使永磁體高溫退磁[2]。因此，本文選擇振動抑制與減緩渦流損耗為優化目標。通過優化氣隙磁密波形能夠有效抑制永磁調速器的振動，減少氣隙磁密波形中諧波的占比就可以達到優化磁密波形的目的，考慮到氣隙磁密諧波難以直接觀測并優化，本文提出了氣隙磁密波形畸變率這一概念。首先利用ansoft有限元仿真軟件分別求取不同參數下的氣隙磁密波形，然后利用傅里葉分解分離基波與諧波，進而算出氣隙磁密波形畸變率kBδ，其計算公式如下：

(1)

不同優化參數下的永磁調速器渦流損耗可以直接通過ansoft 3D有限元仿真軟件計算得出。本文擬定輸出轉矩最小值為80 N·m，渦流損失需控制在500 W以下。由于改進型永磁調速器減少了永磁體的體積，這可能造成輸出轉矩的降低，但是本文通過增加永磁體數量或者尺寸來彌補降低的轉矩，并且以實際運行要求的的最大輸出轉矩為限制條件進行優化，因此不會對永磁調速器的正常運行造成影響。

1　改進型軸向永磁調速器及其優化參數選擇

未進行改進的軸向永磁調速器的結構如圖2所示，主要構成部分包括永磁轉子、導體轉子(銅轉子)以及調節機構[1]。

圖2　改進型永磁調速器結構

原始參數如表1所示。

表1　軸向永磁調速器原始參數　mm

1.1　永磁轉子的改進

改進前永磁轉子為瓦片型永磁轉子，雖然弧形面的永磁體采用正弦優化原理有利于氣隙磁密波形的優化[3]，但是，由于工藝復雜程度以及做工成本的限制本文采用梯形表面結構代替弧形表面如圖3(a)所示，其改進參數分別為切割高度h與切割角度θ，如圖3(b)所示。

(a)永磁轉子改進

(b)改進參數
圖3改進永磁轉子結構

為了確保采用該結構能夠達到優化氣隙磁密波形的目的，本文利用ansoft有限元仿真軟件進行初步仿真，仿真證明采用梯形表面磁極的永磁調速器氣隙磁密波形的確優于瓦片形。

分別對具有梯形磁極和瓦片形磁極的永磁調速器進行輸出轉矩以及氣隙磁密的仿真，兩種結構的永磁轉子個數(6個)，厚度(20 mm)與軸心角α(30°)均相同，梯形表面永磁體的切割高度h為10 mm。仿真時間為20 ms、步長500 μs、誤差0.05、剖分方式為手動剖分磁極剖分尺寸5 mm，其余結構剖分尺寸10 mm，后處理時對弧線上的氣隙磁密在15 ms時進行查看，氣隙磁密仿真結果如圖4所示。

(a)瓦片形磁極

(b)梯形磁極圖4　氣隙磁密仿真

通過仿真數據可以看出改進轉子結構后，氣隙磁密波形的諧波明顯減少，對上述兩個波形進行傅里葉分解后可以明顯看到氣隙磁密波形的改善,如圖5所示。

(a)瓦片形轉子

(b)梯形表面轉子圖5　氣隙磁密傅里葉分解結果

由于采用梯形轉子減少了永磁體的體積，所以輸出轉矩不可避免會減少，但是經仿真驗證發現：因改進結構而損失的輸出轉矩數值很小，不會影響永磁調速器的正常運行，仿真結果如圖6所示。進一步通過增加軸心角或者增加背襯鋼環外徑等方式可以彌補減少的轉矩[4]，所以與改善永磁調速器性能增強其運行穩定性相比，減少一部分微小且可彌補的輸出轉矩顯然是可行的。

(a)瓦片形轉子

(b)梯形表面轉子圖6　輸出轉矩仿真

1.2　優化參數的選擇

在優化參數的選擇上，本文選擇3個參數進行優化，分別是軸心角α、切割高度h和切割角度θ，軸心角如圖7所示。

圖7　軸心角示意圖

為了彌補因改進磁極表面而損失的輸出轉矩，本文采取的方法是增加軸心角α的角度。分別對α取值為30°、35°及40°(其它參數取值相同見表1)改進型永磁調速器進行仿真，發現當α取值為40°時其輸出轉矩達到了87 N·m左右，仿真曲線見圖8。

圖8　輸出轉矩仿真

因此α的取值為40°，在θ分別取值45°、55°以及65°時對應h優化參數組合為9組，表2為θ與h的優化參數的組合表。

表2　優化參數組合表

受運行環境的限制，永磁調速器大部分結構的參數是固定的[5]，但是為了達到最優性能,除了上文提到的優化參數外，其它參數仍要選擇恰當數值，這些參數包括銅盤厚度以及永磁體的厚度等。在其它參數的選擇上，本文采用文獻[3]的優化方法優化后的參數。

2　參數優化過程

令θ分別45°、55°以及65°，軸心角α取值分別為30°、35°與40°以及對應切割高度h分別取值5 mm、10 mm以及15 mm時，利用有限元法[5]求得相應的氣隙磁密波形畸變率kBδ、渦流損耗[4]Ploss以及輸出轉矩T,如表3、表4、表5所示。

表3　不同(θ，h)參數組合的性能指標1

表4　不同(θ，h)參數組合的性能指標2

表5　不同(θ，h)參數組合的性能指標3

由前文提到的本設計方案的要求：輸出轉矩允許下限值為80 N·m，渦流損耗上限值為500 W，所以優化后的參數選擇為θ=55°、α=40°以及h=10 mm。

3　仿真驗證

仿真在上文優化后的參數下進行，其余參數見表1，仿真結果見圖9。

從仿真結果可以明顯看出：進行參數優化后的改進型永磁調速器性能明顯提高，與優化前相比，輸出轉矩由80 N·m左右提高到87 N·m，氣隙磁密波形的諧波明顯減少，因此優化方法是可行的。

(a)轉矩仿真曲線

(b)氣隙磁密波形傅里葉分解圖9　仿真驗證曲線

4　結論

針對嵌入瓦片形磁極的軸向APMC容易形成共振的問題，提出一種改進型軸向APMC-嵌入梯形磁極的軸向APMC。以渦流損耗、輸出轉矩以及氣隙磁密波形畸變率為設計性能指標，使用有限元法對改進型APMC進行參數設計與優化并得到了理想的結構參數。本文設計的改進型軸向APMC能夠有效減少振動，提高運行狀態的穩定性，可以應用于高精密儀器制造、旋轉設備精確調速等對于轉速控制精確度要求較高的工作場合。

參考文獻：

[1]王旭.永磁調速器磁路設計與建模分析技術的研究[D].沈陽：東北大學，2012.

[2]王大志,李召,蔣明華,等.基于CKCPSVR的改進型永磁調速器的性能預測及優化技術[J].儀器儀表學報,2016,37(4):931-937.

[3]Ping Zheng.Research on the Axial-Radial Flux Compound-Structure Permanent-Magnet Synchronous Machine (CSPMSM) Used for HEV. IEEE International Magnetics Conference, 2014,149(822):3 250-3 253.

[4]張宏剛.永磁磁力耦合器損耗的計算與分析[D].長春：吉林大學，2007.

[5]高慶忠,田原,鐘超. 永磁驅動器銅轉子的渦流損耗分析[J]. 沈陽工程學院學報( 自然科學版),2013,9(2)：186-189.