[发明专利]拓宽内置式永磁同步电机转速范围的转子结构稳健性设计

说明书

本发明涉及一种拓宽内置式永磁同步电机转速范围的转子结构稳健性设计方法，包括：确定电机初始的转子结构，永磁体采用单层“V”型结构；改进电机的转子结构；利用Taguchi法对上述的改进结构方案进行优化，确定优化变量、优化目标及约束条件；建立因素水平表；在不同条件下对电机进行有限元仿真，得到不同因素水平下的d轴电感、q轴电感与电磁转矩的值；进行平均值分析；在平均值分析的基础上对结果进行方差分析；确定最优解，对样机进行改进。

技术领域

本发明属于电机稳健性设计领域，具体涉及内置式永磁同步电机转速范围的转子结构稳健性设计。

背景技术

永磁同步电机按照转子磁路结构主要分为表贴式、内置式与爪极式，其中内置式永磁同步电机由于永磁体嵌入在转子铁心内部，这造成交、直轴磁路不对称(直轴磁阻大于交轴磁阻)，具体表现为d轴电感小于q轴电感，因此具有磁阻转矩，使其具有更高的转矩密度和功率密度，且相较表贴式电机，在永磁体用量相同时，d轴电感大，所以内置式永磁电机比表贴式电机具有更宽的恒功率范围和优良的弱磁扩速能力。这些特点使其在船舰推进、机车牵引、数控机床、工业生产等方面具有良好的应用前景，尤其适用于启动、低速或爬坡时输出大转矩，在高速时输出大功率，以及宽调速范围、高可靠性的车辆环境中。

目前，内置式永磁同步电机具有几种常见的永磁体结构：切向式、径向式、“V”型、“U”型、“W”型。其中，在永磁体用量相同的情况下，“V”型永磁体能够产生较大的转矩，同时弱磁扩速能力也较强，且磁路不太复杂，因此受到最为广泛的应用。

由于内置式永磁同步电机的磁场绝大部分由嵌放在转子内部的永磁体产生，与电励磁电机相比，永磁磁场难以衰减，这在一定程度上限制了内置式永磁同步电机的转速范围，当电机运行环境要求进一步高速运行时，内置式永磁同步电机略显不足。其最高转速与永磁体磁链、d轴电感和相电压、相电流限值有关，其中相电压与相电流限值为固定值，要想获得更高的转速，需要减小永磁体磁链或增大d轴电感，然而减小永磁体磁链会降低电机的转矩，造成电机出力减小，使电机的带载能力减弱，因而通常通过增大d轴电感来获得更高的转速。

目前对电机设计进行的优化方法有许多，根据获得的优化结构的有效范围，可以分为全局优化及局部优化。全局优化，即在函数值空间的整个区域寻找最优解，包括遗传算法、模拟退火方法和模式搜索等智能优化算法；局部优化，即在函数值空间的一个有限区域内寻找最小值，包括登山法、Taguchi法、复合形法等。虽然全局优化能够考虑到所有的不确定性因素，使得到的最优解在整个函数区域内都有效，但目标函数的确定过程十分复杂，且计算量大，耗时长，局部优化虽然不能得到关于函数值空间中所有区域的总体最优解，但其计算简单，便于理解，尤其是由日本著名统计学家Taguchi Gen'ichi提出的Taguchi法，能够在实现多目标函数的优化设计，通过建立与实验次数相关的正交表，能够利用最少的实验次数得到较为优化的解，从而实现多目标函数优化设计。其最初应用于工程产品的设计，随后应用于各个领域，在电机的设计与控制方面，也被广泛应用，是一种科学、有效的稳健性设计方法。

发明内容

本发明提供一种可以拓宽内置式永磁同步电机转速范围同时又能保证电机出力的转子结构稳健性设计方法。本发明改进了内置式永磁电机的转子结构，并采用Taguchi法对改进后的结构进行优化，得到最终的优化结构。技术方案如下：

一种拓宽内置式永磁同步电机转速范围的转子结构稳健性设计方法，包括下列步骤：

第一步：确定电机初始的转子结构，永磁体采用单层“V”型结构；

第二步：改进电机的转子结构，首先，在保证永磁体用量不变的前提下，对“V”型永磁体进行分段，每部分永磁体分n段且分段位置不均匀，使得d轴电感有效增大；同时，在转子d轴表面设置向气隙方向的凸起，使得气隙不均匀，在一定程度上可以降低气隙磁密的谐波，且降低d轴磁路的磁阻，起到增大d轴电感的作用；