多層磁障永磁同步電機優(yōu)化設(shè)計與性能分析

摘要：為了促進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)，在新能源汽車及工業(yè)驅(qū)動等領(lǐng)域推廣高效率、高功率密度永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）的應(yīng)用，解決永磁同步電機拓速困難的問題，對采用多層磁障的PMSM展開了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計及性能分析。將多工況下的電機線電壓有效值及輸出轉(zhuǎn)矩作為優(yōu)化目標(biāo)，采用混合遺傳算法優(yōu)化了電機轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)參數(shù)，綜合實際需求確定了電機方案，并分析了電機電磁性能及經(jīng)濟性能。優(yōu)化后的電機運行范圍得到了拓展，電氣性能有所增強，經(jīng)濟性得到了提高，對推廣PMSM在工程實踐中的應(yīng)用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機（PMSM）;優(yōu)化設(shè)計;拓速

中圖分類號：TM341? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）04-0019-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.04.006

0? ? 引言

在新能源汽車及工業(yè)驅(qū)動等領(lǐng)域，電機是消耗能量的主要部件之一。永磁同步電機內(nèi)置了采用稀土材料制作的永磁體，因而具備效率高、功率密度高的優(yōu)點，大規(guī)模應(yīng)用可以提高能源利用率，助力實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)[1]。但電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，永磁體形成的磁場會切割定子繞組，在繞組中產(chǎn)生反電動勢，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速升高時，反電勢也會隨之升高。考慮到經(jīng)濟因素及實際運行狀況，電機控制器、電源能夠提供的線電壓一般為定值，即當(dāng)電機轉(zhuǎn)速達(dá)到某一值時，電機反電動勢與控制器線電壓接近，此時電機轉(zhuǎn)速為能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速，電機不能繼續(xù)升速運行[2]。新能源汽車及工業(yè)控制領(lǐng)域快速發(fā)展，其對電機運行工況的要求越來越多，單一工況運行已不能滿足實際需求，工業(yè)界對能夠多工況運行的PMSM需求越發(fā)緊迫。因而解決PMSM調(diào)速范圍的問題可以拓展PMSM的使用場合，使其能夠在多工況下運行，降低能耗，減少碳排放，增加經(jīng)濟效益[3]。

本文樣機為一臺196 kW內(nèi)置式多層磁障永磁同步電機[4]，將多工況下的轉(zhuǎn)矩和線電壓作為優(yōu)化目標(biāo)，將電機轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)作為優(yōu)化變量，通過多目標(biāo)優(yōu)化的方法，擴大了電機調(diào)速范圍，拓展了電機使用場合。

1? ? 電機多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計

要實現(xiàn)電機多工況運行，僅在某一工況選擇單一優(yōu)化目標(biāo)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。對PMSM而言，若只優(yōu)化額定點轉(zhuǎn)矩，使其在額定點輸出轉(zhuǎn)矩最大，則電機永磁磁鏈會達(dá)到最大值，其最高轉(zhuǎn)速必然降低。因而必須同時將電機多工況下的輸出轉(zhuǎn)矩和線電壓作為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行多工況、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計[5-7]。

1.1? ? 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計流程

電機多目標(biāo)優(yōu)化流程如圖1所示。

如圖1所示，在開展多目標(biāo)優(yōu)化時，首先需要確定優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化變量。優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化變量選擇過少，則不能全面覆蓋電機的實際工況;目標(biāo)選擇過多，又會增加優(yōu)化時間與工作量。因此，只有合理選擇優(yōu)化目標(biāo)，才能實現(xiàn)合理優(yōu)化的目的。

其次，要確定優(yōu)化變量的參數(shù)范圍，部分變量可調(diào)節(jié)范圍很廣。如第一層磁障到轉(zhuǎn)子圓心的位置，其取值可在80～120 mm變動，該值過小時，永磁體距離氣隙太遠(yuǎn)，相同電流下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩會大幅衰減;但如果選得過大，不僅轉(zhuǎn)矩脈動會增加，轉(zhuǎn)子也更容易出現(xiàn)飽和的情況，轉(zhuǎn)子沖片的強度也會受到影響，因此優(yōu)化前需要選擇合適的取值范圍。

再次，需要選擇合適的優(yōu)化算法。優(yōu)化算法的種類很多，比如遺傳算法、粒子群算法等等，這些算法各有特點，粒子群算法全局搜索能力強，不易陷入局部最優(yōu)值，但其計算周期長，計算量大，收斂較慢。本文選擇的混合遺傳算法將模擬自然界生物的進(jìn)化過程的遺傳算法和模擬退火法相結(jié)合，在保證遺傳算法全局性能的基礎(chǔ)上減小計算量，減少計算時間，加快收斂速度，非常適合工程實際使用。

最后，優(yōu)化后的結(jié)果可能是一個滿足優(yōu)化要求的解集，需要對比不同方案，結(jié)合實際情況選擇合適的優(yōu)化方案。

1.2? ? 優(yōu)化目標(biāo)的選擇

電機設(shè)計目標(biāo)如下：額定功率196 kW，額定轉(zhuǎn)速2 750 r/min，額定轉(zhuǎn)矩680 N·m，額定電壓420 Vrms，額定電流380 A，峰值轉(zhuǎn)速10 000 r/min。

所設(shè)計電機的初始參數(shù)如下：額定點轉(zhuǎn)矩682 N·m，峰值轉(zhuǎn)速8 000 r/min。

要達(dá)到提高電機峰值轉(zhuǎn)速并且保證電機額定工作點的目標(biāo)，需要同時考慮電機額定工況及峰值工況。在額定工況下，電機需要滿足輸出轉(zhuǎn)矩的需求，輸出轉(zhuǎn)矩越大，對輸入電流的要求就越小，較小的輸入電流可以減少電機銅耗，降低電機熱負(fù)荷。在額定輸入電流不能改變的情況下，也可減少電機鐵芯有效長度從而節(jié)約電機成本。因此，在不增加成本的情況下，應(yīng)使電機在額定點的輸出轉(zhuǎn)矩盡量大。為了達(dá)到更高轉(zhuǎn)速，峰值轉(zhuǎn)速點應(yīng)在保證輸出轉(zhuǎn)矩的情況下，使電機線電壓有效值盡量小，從而實現(xiàn)拓速的目的。本文選擇電機額定及峰值點的電機輸出轉(zhuǎn)矩及線電壓有效值作為優(yōu)化目標(biāo)，通過優(yōu)化算法，尋找使電機輸出轉(zhuǎn)矩最大且峰值線電壓最小的方案。

1.3? ? 確定優(yōu)化變量及其范圍

本文選擇PMSM的轉(zhuǎn)子沖片作為主要優(yōu)化對象，可優(yōu)化的變量包括多層磁障間的間距，磁障的形狀，磁鋼的位置、間距和厚度等，可見轉(zhuǎn)子沖片可供優(yōu)化的變量數(shù)量眾多，優(yōu)化全部變量工程量巨大，且很多變量對提高電機輸出轉(zhuǎn)矩及增加電機運行范圍并無明顯影響。本文通過初篩及敏感度分析，確定了對電機性能影響較大的幾個變量作為優(yōu)化變量，并在表1列出了主要優(yōu)化變量的初始值及優(yōu)化范圍。

1.4? ? 電機優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過優(yōu)化算法優(yōu)化后共產(chǎn)生200個設(shè)計方案，部分方案的轉(zhuǎn)子沖片隔層磁障互有交疊，為不合理方案;部分方案在輸出相同轉(zhuǎn)矩的情況下，消耗磁鋼過多。結(jié)合電機實際工作情況，在滿足設(shè)計要求時，盡量考慮電機經(jīng)濟性，優(yōu)選方案如下：

（1）隔層磁障夾角：20°、38°、32°、38°;

（2）第一層磁障距圓心位置：120 mm;

（3）磁障間距：3 mm、6 mm、4 mm;

（4）磁障厚度：3 mm、4 mm、3 mm、8 mm;

（5）一至四層直線磁障寬度：7 mm、14 mm、20 mm、24 mm;

（6）一至四層傾斜磁障長度：5.7 mm、9.6 mm、11.5 mm、19.8 mm。

優(yōu)化前后電機拓?fù)淙鐖D2所示，可見，電機拓?fù)溆辛嗣黠@改變，除第四層磁障厚度有所增加外，其余每層磁障厚度都有所減少或不變，每段磁鋼的厚度也有所減小。優(yōu)化后電機在額定工況下，輸出轉(zhuǎn)矩696.9 N·m，線電壓有效值192.4 Vrms;在峰值工況下，電機輸出轉(zhuǎn)矩192 N·m，線電壓有效值419.3 Vrms。滿足初始設(shè)計要求。

2? ? 電機性能分析

2.1? ? 電磁性能分析

電機優(yōu)化前后輸出外特性如圖3所示。

電機優(yōu)化前，恒轉(zhuǎn)矩區(qū)到恒功率區(qū)的拐點轉(zhuǎn)速約為3 000 r/min，恒轉(zhuǎn)矩區(qū)輸出轉(zhuǎn)矩682.1 N·m，效率96%。當(dāng)電機運行至8 000 r/min后，相電流與相電壓的夾角達(dá)到80°，此時若繼續(xù)增大角度，仿真時仍能得到更高轉(zhuǎn)速，但由于弱磁程度太深，在實際控制時電機運行已不穩(wěn)定，因此舍去后續(xù)數(shù)據(jù)。電機優(yōu)化后，恒轉(zhuǎn)矩區(qū)到恒功率區(qū)的拐點轉(zhuǎn)速約為2 800 r/min，輸出轉(zhuǎn)矩696.9 N·m，轉(zhuǎn)矩脈動3.5%，效率96.3%。即電機優(yōu)化后滿足設(shè)計目標(biāo)，相較優(yōu)化前，轉(zhuǎn)矩增加14.8 N·m，效率增加0.3%。電機在11 000 r/min時，輸出轉(zhuǎn)矩193.5 N·m，此時相電流與相電壓的夾角達(dá)到80°，完全滿足10 000 r/min的設(shè)計目標(biāo)。可見，通過多目標(biāo)優(yōu)化的方法可以改變電機輸出外特性，從而實現(xiàn)增大電機調(diào)速范圍的目標(biāo)。

2.2? ? 經(jīng)濟性分析

優(yōu)化前后定子沖片并未改變，定子繞組也未改變。但由于優(yōu)化后電機轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)更加緊促，因而轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)徑可以放大，從而減少轉(zhuǎn)子沖片材料用量及重量。轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)徑由優(yōu)化前的68 mm增大至75 mm，轉(zhuǎn)子沖片用量僅為優(yōu)化前的86.7%。由圖2亦可得出，電機磁鋼用量也有減少，單極磁鋼面積為優(yōu)化前的56.82%。按照電機長度300 mm、每公斤磁鋼500元計算，單臺電機磁鋼消耗減少5 374.6元。可見，對PMSM進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，不僅可以改善電機電磁性能，還能提高電機經(jīng)濟性。

3? ? 結(jié)語

本文以額定工況及峰值工況的輸出轉(zhuǎn)矩及線電壓作為優(yōu)化目標(biāo)，將轉(zhuǎn)子沖片的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)作為優(yōu)化變量，通過混合遺傳算法優(yōu)化了采用多層磁障的PMSM。優(yōu)化后電機最高轉(zhuǎn)速得到了提升，由優(yōu)化前的8 000 r/min增加至11 000 r/min，調(diào)速范圍提高了逾30%。優(yōu)化后電機轉(zhuǎn)子鐵芯重量僅為優(yōu)化前的86.7%。磁鋼用量為優(yōu)化前的56.82%，磁鋼成本減少了5 374.6元。優(yōu)化后電機性能得到了大幅提升，其調(diào)速區(qū)間更大，弱磁性能更好;同時電機價格有所下降，經(jīng)濟性更好。綜上，優(yōu)化后的電機電磁性能更好，適用性更廣，價格更低，具有很高的工程實用價值，對PMSM的研究與發(fā)展具有重要意義。

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收稿日期：2021-11-30

作者簡介：解文龍（1992—），男，新疆烏魯木齊人，碩士，研究方向：永磁同步電機優(yōu)化設(shè)計。

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