低轉矩脈動同步磁阻電機設計優(yōu)化分析

譚鳳倩，張彥峰

(1.東營市赫邦化工有限公司，山東 東營 257000；2.東營市科德化工有限公司，山東 東營 257000)

?

低轉矩脈動同步磁阻電機設計優(yōu)化分析

譚鳳倩1，張彥峰2

(1.東營市赫邦化工有限公司，山東 東營 257000；2.東營市科德化工有限公司，山東 東營 257000)

為完成對低轉矩脈動同步磁阻電機的設計工作，借鑒了同步磁阻電機的相關研究成果，結合個人實踐工作經(jīng)驗，提出了轉子不對稱結構的想法，以期降低電機的轉矩，并對同步磁阻電機展開多目標優(yōu)化設計研究，通過有限元對該方案的合理性進行驗證分析。

低轉矩；同步磁阻電機；設計優(yōu)化；多目標

轉子上沒有勵磁繞組與永磁體是同步磁阻電機與電勵磁、永磁同步電機之間最大的差別。因此，轉子也無法產(chǎn)生磁場，必須由不同的直、交軸磁路所產(chǎn)生的磁阻轉矩，為其運行提供必需的轉矩，進行能量轉換工作。這使得不具備永磁材料的同步磁阻電機轉子磁阻分布極為不均勻，不僅產(chǎn)生的轉矩脈動較大，電機功率也較低。針對這一問題，國內、外學者已先后展開了一系列實踐研究，筆者借鑒其研究成果，通過對同步磁阻電機的優(yōu)化設計，以期提升電機性能，并利用有限元分析法，對方案的有效性加以驗證，以供參考。

1 低轉矩脈動同步磁阻電機的設計優(yōu)化分析

與普通的永磁同步電機一樣，轉子也是同步磁阻電機的設計難點與重點。如圖1(a)所示，這是同步磁阻電機典型的拓撲結構圖，可以看到該轉子結構采用的是3層磁障對稱結構，定子齒與轉子4組磁障間處于相同的相對位置，在同一時間內二者相遇時也會相互分離，造成不連續(xù)性磁阻出現(xiàn)變化，此時的轉矩脈動較大。為進一步降低轉矩脈動，避免定子齒與轉子磁障產(chǎn)生同一時間內相遇并分離的問題，建議基于轉子磁障的對稱結構，對其中的1組磁障位置進行確定，另外3組磁障則分別按照逆時針方向進行偏轉，以θ、2θ、3θ的電角度偏轉，使定子齒與轉子磁障處于不同的相對位置之上，將轉子設計為不對稱結構，如圖1(b)結構剖析圖所示。

圖1 同步磁阻電機拓撲結構圖Fig.1 Synchronous reluctance motor topology diagram

筆者通過建立實際模型數(shù)據(jù)的方法，進行具體分析，驗證結構是否合理。可設計2臺，4極3 kW的同步磁阻電機，保持各項參數(shù)的一致性，對其中一臺同步磁阻電機轉子采用不對稱結構，另一臺轉子采用對稱結構。分別為這兩臺電機進行有限元建模，圖2為兩臺電機的轉矩脈動對比圖。通過圖2可以看到，在平均輸出轉矩上，兩臺電機數(shù)值十分相近，而在三相SRM轉矩脈動上，采用不對稱結構的電機轉矩脈動較小。在實際加工過程中，考慮到SRM中的磁障為空氣槽，電機轉子不對稱結構勢必會引發(fā)轉子質量的不均勻，因此可采取硅鋼片疊加方法，將一半的硅鋼片旋轉180°以后進行疊壓安裝，解決電機質量的不均勻問題，進而滿足低轉矩脈動同步磁阻電機的設計工作。

圖2 同步磁阻電機轉子對稱和不對稱結構轉矩脈動對比Fig.2 Comparison of torque ripple of symmetrical and asymmetrical structures of synchronous reluctance motor

2 田口試驗法與遺傳算法

田口試驗法是較為新穎的優(yōu)化方法，可以在一次試驗中擁有多個控制因子、優(yōu)化目標，從而以最少的實驗次數(shù)，實現(xiàn)對優(yōu)化參數(shù)的最佳組合。筆者結合相關參考文獻，根據(jù)田口試驗法的應用原則與實踐經(jīng)驗，對低轉矩脈動SRM的優(yōu)化變量進行確認。首先，對影響電機設計變量的優(yōu)化目標進行試驗，選擇7個變量。通過對7個變量的處理，得到5個控制因子。其次，對5個控制因子進行有限元分析，處理后所得結果即為每個控制因子的合理變化范圍，并運用控制因子的水平數(shù)建立正交表，得到正交結果，如表1所示。

表1 正交實驗結果Tab.1 Orthogonal experimental results

根據(jù)正交實驗所得結果，運用方差分析法，求出控制因子對每個優(yōu)化目標的影響比重。

公式中：各個因素的水平數(shù)用m表示；試驗次數(shù)用n表示；每個水平的實驗次數(shù)用t表示；各個試驗指標第i次的試驗記錄值用y1表示；第j列的影子水平m的t值試驗所對應的品質特性和用Sjm表示。公式中：m、n、t、y1、Sjm分別表示各個因素的水平數(shù)、試驗次數(shù)、實驗次數(shù)、試驗記錄值、試驗對應的品質特性。經(jīng)過上述公式計算，可以得到各個控制因子對SRM轉矩脈動、效率、功率因素優(yōu)化目標的影響比重，進一步確定優(yōu)化變量。

基于田口實驗法求出優(yōu)化變量，利用正交實驗結果，優(yōu)化配置遺傳算法參數(shù)，可更好地開展低轉矩脈動同步磁阻電機多目標優(yōu)化設計研究工作，從而改善遺傳算法的尋優(yōu)性能與收斂速度。同步磁阻電機多目標優(yōu)化前、后性能對比數(shù)據(jù)如表2所示，可以看到，通過多目標優(yōu)化設計后的同步磁阻電機，電機轉矩脈動大大降低，功率因素與電機效率同步提高，可謂全面提升了電機性能。

表2 多目標優(yōu)化前、后的SRM性能對比Tab.2 Comparison of SRM performance before and after multi-objective optimization

3 結語

借鑒學者們的成功經(jīng)驗，提出利用不對稱轉子結構設計同步磁阻電機的方法，并運用田口試驗法和有限元分析法，驗證了該設計方案的科學有效性，以期為低轉矩脈動同步磁阻電機的設計工作提供一些有益的參考建議，從而促進我國電機行業(yè)的良好發(fā)展。

[1] 王凱，李紅梅，姚宏洋.低轉矩脈動同步磁阻電機設計與優(yōu)化[J].微特電機，2017，(02)：92-93.

[2] 張鑫.開關磁阻電機的振動和轉矩脈動抑制研究[D].濟南：山東大學，2016.

[3] 沈建新，蔡順，袁賽賽.同步磁阻電機分析與設計(連載之一)概述[J].微電機，2016，(10)：83-84.

[4] 王鈞銘，張漢年，鮑安平，等.無軸承同步磁阻電機的懸浮系統(tǒng)控制策略[J].微特電機，2014，(03)：108-109.

[5] 沈建新，蔡順，郝鶴，等.同步磁阻電機分析與設計(連載之十) 同步磁阻電機與開關磁阻電機定轉子的組合應用[J].微電機，2017，(02)：115-116.

[6] 張春艷，張漢年.凸極轉子無軸承同步磁阻電機懸浮機理和發(fā)展趨勢[J].信息化研究，2011，(05)：69-70.

Design optimization of low-torque pulsating synchronous reluctance motor

TAN Feng-qian1,ZHANG Yan-feng2

(1.Dongying Hebang Chemical Co.,Ltd.,Dongying 257000,China; 2.Dongying Kede Chemical Co.,Ltd.,Dongying 257000,China)

In order to complete the design of low-torque pulsating synchronous reluctance motor,the related research results of synchronous reluctance motor were utilized combining with the personal practical experience,the idea of asymmetric structure of the rotor is put forward in order to reduce the torque. The multi-objective optimization design of synchronous reluctance motor is studied,and the rationality of the scheme is verified by finite element method.

Low torque; Synchronous reluctance motor; Design optimization; Multi-objective

2016-12-29

譚鳳倩(1974-)，女。

TM352

A

1674-8646(2017)06-0136-02