基于正交試驗法優(yōu)化表貼式永磁同步電機永磁體

陳 碩，湯 瓊，彭智俊，宋 爽

(湖南工業(yè)大學(xué)，株洲 412008)

0 引 言

表貼式永磁同步電機有著結(jié)構(gòu)簡單、運行安全可靠且高效節(jié)能等特點，被廣泛地使用在工業(yè)控制系統(tǒng)中。齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機特有的問題。但是，齒槽轉(zhuǎn)矩的存在會造成永磁同步電機運行時的轉(zhuǎn)矩波動，它會影響速度控制系統(tǒng)中的低速性能和位置控制系統(tǒng)中的高精度定位。當(dāng)齒槽轉(zhuǎn)矩的頻率和永磁電機的機械振動頻率一致時，會增大電機的運行噪聲，長時間工作在噪聲環(huán)境中，對人的聽覺器官以及神經(jīng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害。高性能的永磁電機需要注意此問題。

文獻[1-5]研究了定子槽口寬度、磁極偏心、電機開輔助槽對永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。從中可知，永磁同步電機齒槽轉(zhuǎn)矩抑制方法可以從優(yōu)化電機的定子硅鋼片設(shè)計和從電機永磁體設(shè)計方面考慮。文獻[1-3]屬于優(yōu)化定子硅鋼片的設(shè)計，文獻[4-5]屬于優(yōu)化永磁體的設(shè)計。文獻[6]研究了永磁電機的激振力波，徑向激振力波導(dǎo)致了電機的電磁噪聲，在處理偏心磁極電機磁場時，對永磁體徑向充磁方向厚度利用可積函數(shù)代替，對永磁體磁勢進行解析計算，然后利用傅里葉級數(shù)法，對激振力波進行分析。可見，準(zhǔn)確測量氣隙長度，才能得到任意形狀永磁體對電機磁場影響的準(zhǔn)確計算。此外，文獻[7]給出了永磁電機的永磁體預(yù)估公式，通過預(yù)估公式來完成永磁體各個參數(shù)的計算，計算精度比較差，往往需要做大量的優(yōu)化。本文結(jié)合麥克斯韋應(yīng)力張量法和有限元法，計算得到永磁同步電機的徑向磁力、切向磁力、齒槽轉(zhuǎn)矩的數(shù)值結(jié)果。然后，構(gòu)建了永磁體三因素四水平的正交試驗方案，優(yōu)化表貼式永磁同步電機永磁體形狀，利用有限元法對優(yōu)化方案進行了驗證。

1 永磁電機轉(zhuǎn)子受力分析

1.1 麥克斯韋應(yīng)力張量法分析永磁體與氣隙交界面應(yīng)力

表貼式永磁同步電機的磁力線進入永磁體與電機內(nèi)部氣隙的交界面上，分解為垂直于永磁體切線方向的切向磁密和徑向方向上的徑向磁密。用麥克斯韋應(yīng)力張量法分析，可以得到永磁體和氣隙交界面的應(yīng)力，其切向方向上的應(yīng)力：

(1)

其徑向方向上的應(yīng)力：

(2)

(3)

根據(jù)以上分析將式(1)、式(2)和式(3)變?yōu)橄率?4)：

(4)

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；Bn和Bt永磁體和氣隙交界面處的磁感應(yīng)強度的徑向分量和切向分量。

圖1是用有限元法計算出的面貼式永磁同步電機的空載磁場。數(shù)值分析表明，永磁體和氣隙的交界面處存在著切向磁密Bt和徑向磁密Bn，由式(4)可預(yù)見到，永磁體和氣隙交界面處確實存在這徑向磁拉力和切向磁拉力。

圖1 空載時電機內(nèi)部磁場

1.2 交界面處的力學(xué)分析

力是產(chǎn)生運動的原因。對于永磁體的切向磁拉力，在表貼式永磁同步電機做旋轉(zhuǎn)運動時，切向磁力始終和永磁體的線速度方向平行，這種力會造成轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生速度脈動和轉(zhuǎn)矩脈動。徑向磁力始終和永磁體旋轉(zhuǎn)線速度方向垂直，徑向磁力時刻改變永磁體線速度方向，造成電機的振動和噪聲。永磁體的切向磁力通過氣隙作用在電機齒槽上，形成了齒槽轉(zhuǎn)矩。文獻[8]的研究表明齒槽轉(zhuǎn)矩是由作用在齒槽上的不平衡的徑向磁拉力造成的。本文對轉(zhuǎn)子和氣隙交界面所受磁力的分析表明,齒槽轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生是由轉(zhuǎn)子和氣隙交界面的切向磁力產(chǎn)生。因此，電機齒槽轉(zhuǎn)矩放在轉(zhuǎn)子側(cè)研究時，齒槽轉(zhuǎn)矩是由永磁體的切向磁力造成的；放在定子側(cè)研究時，是作用在電機齒槽上的徑向磁力造成的。它們二者的關(guān)系是作用力與反作用力關(guān)系。

1.3 徑向、切向磁力的數(shù)值計算方法

由式(4)分析可知，求解氣隙和轉(zhuǎn)子的交界面應(yīng)力時，須知轉(zhuǎn)子和氣隙交界磁感應(yīng)強度的切向分量和徑向分量。交界面磁感應(yīng)強度的切向分量和徑向分量，可以通過有限元法得到。對式(4)，沿著轉(zhuǎn)子表面進行積分，可以得到轉(zhuǎn)子表面的切向磁力和徑向磁力：

(5)

式中：L為電機電樞長度；s為沿著轉(zhuǎn)子表面的積分路徑。對式(5)采用離散數(shù)值解法，則有：

(6)

式中：j表示沿著轉(zhuǎn)子表面所采樣的點；N表示沿著轉(zhuǎn)子表面所采樣的點的總數(shù)；r表示轉(zhuǎn)子半徑；Δθ為采樣點之間的弧度制角度差。

采用有限元法對電磁場進行數(shù)值計算，其徑向磁密和切向磁密：

(7)

式中：Bx,By為有限元法求解電機內(nèi)部磁場x軸方向上的磁密和y軸方向上的磁密；α為切向磁密與x軸方向上的磁密夾角。其徑向分量計算結(jié)果如圖2所示，切向分量計算結(jié)果如圖3所示。

圖2 交界面磁密的徑向分量

圖3 交界面磁密的切向分量

從圖4和圖5可以看出，永磁同步電機轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動時，存在著峰值1 N左右的切向磁拉力，很難使電機精確定位，而且由于切向磁拉力是脈動的，這會造成永磁同步電機運行時轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的脈動。0.75 N左右的徑向磁拉力的存在，與線速度方向垂直，會引起電機的振動，導(dǎo)致電機的電磁噪聲。

圖4 轉(zhuǎn)子所受徑向磁力

圖5 轉(zhuǎn)子所受切向磁力

2 表貼式永磁同步電機永磁體優(yōu)化

2.1 齒槽轉(zhuǎn)矩的數(shù)值計算方法

目前，關(guān)于任意形狀永磁體的電機齒槽轉(zhuǎn)矩解析計算的研究，很少有涉及。由于永磁體磁極偏心，使得氣隙長度難以確定，造成了準(zhǔn)確解析計算電機齒槽轉(zhuǎn)矩有較大的難度。因為無法準(zhǔn)確地給出齒槽轉(zhuǎn)矩的計算表達式，所以較難確定永磁體各個設(shè)計參數(shù)對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響水平，這給永磁體優(yōu)化設(shè)計帶來了較大的困難。聯(lián)合式(6)、式(7)，得到齒槽轉(zhuǎn)矩的數(shù)值計算表達式：

[Bx(j)sinα+By(j)cosα]}r2Δθ

(8)

采用式(8)的計算方法，對齒槽轉(zhuǎn)矩進行計算，作為正交試驗的結(jié)果，來對表貼式永磁同步電機永磁體進行優(yōu)化。

2.2 永磁體三因素四水平的正交試驗

文獻[7]給出了永磁電機永磁體設(shè)計的預(yù)估公式，預(yù)估了永磁體的寬度和徑向充磁長度，而永磁體寬度影響著極弧系數(shù)。磁極偏心影響著電機磁場分布，這3個變量既影響著永磁體的形狀，又影響著電機的電磁性能。因此，取磁極偏心距、極弧系數(shù)、徑向充磁長度作為正交試驗的3個影響因素。

正交表的表達式：T=Ln(tq)，t表示水平數(shù)，q表示因素個數(shù)。本文q=3，取每個因素的水平數(shù)t=4，如果進行全局實驗，則實驗次數(shù)為34=81次；若采用正交試驗法，則實驗次數(shù)為16次，實驗次數(shù)大幅度降低。三因素四水平的正交試驗表如表1所示。

對正交試驗結(jié)果進行極差分析，如表2所示。表2中的數(shù)據(jù)為各因素各水平下的平均齒槽轉(zhuǎn)矩和極差值。極差表示各水平下平均齒槽轉(zhuǎn)矩的最大值和最小值之差，用來衡量各因素對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響程度。極差分析得到的影響趨勢如圖6所示。

圖6表明，表貼式永磁同步電機的齒槽轉(zhuǎn)矩隨著磁極偏心的增大先減小而后增大；隨著極弧系數(shù)的增加而減??；隨著徑向充磁長度的增大，先減小后增大再減小。通過極差分析可以判斷出，永磁體的極弧系數(shù)對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響較大，磁極偏心次之，徑向充磁長度影響最小。因此，通過優(yōu)化電機永磁體來抑制齒槽轉(zhuǎn)矩時，應(yīng)先優(yōu)化永磁體的極弧系數(shù)，然后再優(yōu)化磁極偏心和徑向充磁長度。通過正交試驗的分析，選取圖6中的極值點作為最優(yōu)永磁體的設(shè)計參數(shù)。優(yōu)化前后，參數(shù)對比如表3所示,永磁體的形狀如圖7、圖8所示，齒槽轉(zhuǎn)矩如圖9所示。

表1 永磁體正交試驗表

表2 各因素各水平下的平均齒槽轉(zhuǎn)矩和極差值(mN·m)

(a) 磁極偏心距

(b) 極弧系數(shù)

(c) 徑向充磁長度

表3 優(yōu)化前后永磁體參數(shù)對比表

圖7 優(yōu)化前的永磁體

圖8 優(yōu)化后的永磁體

由圖9可見，優(yōu)化前的電機齒槽轉(zhuǎn)矩峰值達到2300mN·m，優(yōu)化后齒槽轉(zhuǎn)矩峰值為65.3mN·m，由此可見，永磁體的設(shè)計對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響較大，永磁體設(shè)計時應(yīng)特別注意永磁體各參數(shù)對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響。

圖9 優(yōu)化前后齒槽轉(zhuǎn)矩的對比

3 結(jié) 語

本文利用了麥克斯韋應(yīng)力張量法，分析了轉(zhuǎn)子和氣隙交界面上的切向磁力和徑向磁力。通過有限元法計算了磁力以及齒槽轉(zhuǎn)矩，構(gòu)建了永磁體的三因素四水平正交試驗。根據(jù)極差分析的結(jié)果，給出了永磁體3個設(shè)計參數(shù)對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響大小。優(yōu)化永磁體參數(shù)，使得電機的齒槽轉(zhuǎn)矩大幅度下降。