[发明专利]一种提高铁氧体辅助式同步磁阻电机功率因数的优化方法

摘要

本发明涉及一种提高铁氧体辅助式同步磁阻电机功率因数的优化方法，该方法在已设计好的同步磁阻电机的转子磁障结构的基础上，添加铁氧体，通过分析铁氧体辅助式同步磁阻电机等效磁回路，找到功率因数与d轴和q轴磁阻的关系表达式，进而利用遗传算法和Taguchi法优化铁氧体结构，找到更高功率因数和更小铁氧体体积结构参数，同时考虑到裂比系数对功率因数的影响。该方法与有限元法相比，可大大减少所占用的计算机内存资源，同时降低了数学运算的难度，既能显著改善Fa‑SynRM的功率因数，又能实现对Fa‑SynRM的结构参数进行优化。

主权项

1.一种提高铁氧体辅助式同步磁阻电机功率因数的优化方法，该方法的具体步骤是：第一步：确定同步磁阻电机SynRM的结构参数：测量得到SynRM的定子结构参数，包括定子槽数n_s、定子槽口宽度S_so、定子槽距角β；其次，测量得到SynRM的转子结构参数，包括转子极对数P、转子磁障层数n_l、转子槽口宽度R_so、铁芯有效长度l、定子内径与转子外径间的气隙长度δ’；需要根据上述测量得到的定子槽数按照公式(1)来确定转子槽数n_r，在确定转子槽数为n_r后，根据公式(2)计算转子槽距角α，第二步：Taguchi优化SynRM转子绝缘磁障结构：对定子内径与转子外径间的气隙长度δ’和每层磁障宽度h_i，进行优化，i＝1,2,···,n_l：首先给出定子内径与转子外径间的气隙长度δ’的水准范围，然后在每个水准下，改变每层磁障宽度来比较转矩脉动的大小，分别找到每层磁障宽度h_i优化参数的水准范围；其次在定子内径与转子外径间的气隙长度δ的水准范围内分别对每个定子内径与转子外径间的气隙长度δ’下的磁障宽度h_i进行Taguchi优化设计，找到不同δ’下的转矩脉动值，得到优化后的定子内径与转子外径间的气隙长度δ；再利用优化后的定子内径与转子外径间的气隙长度δ，在每层磁障宽度h_i优化参数的水准范围内分别对每层磁障宽度h_i进行Taguchi优化设计，找到不同h_i下的转矩脉动值，得到优化后的每层磁障宽度h_i’；最后确定出对应优化后的每层磁障宽度h_i’下的转子绝缘磁障末端间距t_j及转子磁障下边弧长x_i，j＝1,2,···,n_l+1；第三步：铁氧体辅助式同步磁阻电机Fa‑SynRM的转子结构优化：3‑1、d、q轴磁路总磁阻R_d、R_q的等效计算：阻碍各层导磁硅钢片磁通流通的各个磁阻之间满足并联关系，通过式(3)等效计算d轴磁路总磁阻R_d：R_d＝R_d1//R_d2//…//R_dj//…(3)其中，j表示第j层导磁硅钢片，j＝1,2,…,n_l+1；R_dj表示阻碍第j层导磁硅钢片磁通流通的气隙磁阻值，R_dj通过式(6)得到：式中，μ_r为铁氧体的相对磁导率，δ为第二步优化后的定子内径与转子外径间的气隙长度；循环利用‘△‑Y’变换将等效q轴磁路的磁阻的关系进行简化，用式(11)等效计算q轴磁路总磁阻R_q：R_q＝(R₁₁+…+R_k1+…)//(R′₁₁+…+R′_k1+…)   (11)式中，k为q轴磁路对应的磁障层数，其中1到n_l与n_l到2n_l对应相等，k＝2n_l；R_k1是关于加入铁氧体后阻碍磁通顺沿转子导磁硅钢片穿过定子内径与转子外径间的气隙的磁阻R_yj与阻碍穿过各层铁氧体的磁阻R_mi和阻碍穿过各层屏障的磁阻R_δi的函数，用式(10)表示；R_yj用式(7)表示，R_mi用式(8)表示，R_δi用式(9)表示；同理，q轴成对称分布的另一部分的R′_yj、R′_mi、R′_δi分别用式(7)、(8)、(9)表示；其中，k₁是磁通面积修正值，h_mi为铁氧体宽度，b_mi为铁氧体长度；3‑2、用d、q轴磁路总磁阻R_d、R_q表示功率因数：将步骤3‑1得到的d轴磁路总磁阻R_d和q轴磁路总磁阻R_q带入式(12)中，得到由d、q轴等效磁阻所表示的功率因数计算式，该计算式建立了功率因数PF与上面确定的转子结构参数转子绝缘磁障末端间距t_j、相邻两层导磁硅钢片间的绝缘磁障宽度h_i、转子磁障下边弧长x_i、铁氧体宽度h_mi、铁氧体长度b_mi、优化后的定子内径与转子外径间的气隙长度δ之间的关系，即建立功率因数与Fa‑SynRM相关结构参数的关系：3‑3、遗传算法和Taguchi法对Fa‑SynRM转子结构进行优化设计：依据公式(12)通过遗传算法，对Fa‑SynRM转子结构进行优化设计，得到功率因数PF最大下的每个变量的值，然后利用Taguchi法对变量进行局部优化，进而在满足功率因数PF不变的条件下得到铁氧体的最小体积值；考虑裂比系数对Fa‑SynRM功率因数的影响，进一步提高电机的功率因数。