基于VB的永磁同步電機(jī)設(shè)計及優(yōu)化平臺

禹婷華

摘要：隨著科技的不斷發(fā)展，機(jī)械化設(shè)備的運用也在不斷改進(jìn)。對于傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)而言，不僅操作復(fù)雜，耗時長，而且在精準(zhǔn)度也比較差，因此，優(yōu)化永磁同步機(jī)是人們一直思考的問題。利用VB進(jìn)行程序的編寫，實現(xiàn)對永磁同步電機(jī)設(shè)計的改進(jìn)，使得永磁同步電機(jī)的使用效果增加。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；設(shè)計及優(yōu)化；分析

1 前言

永磁同步電機(jī)的使用，具有節(jié)能減耗的優(yōu)點。現(xiàn)代社會發(fā)展中，不斷地強(qiáng)調(diào)節(jié)能減耗，使得永磁同步電機(jī)的使用受到了廣泛的歡迎。由于永磁同步電機(jī)在使用過程中存在著諸多問題，這些問題不及時的解決，必然會影響使用的效果，因此加強(qiáng)永磁同步電機(jī)的優(yōu)化，利用VB變成進(jìn)行重新的設(shè)計，將使用過程中存在的問題都高效的解決。使得永磁同步電機(jī)能夠更好的運用在各個領(lǐng)域中。

2 電機(jī)設(shè)計平臺分析

永磁同步機(jī)的主要的特點包括：小體積、低消耗和高效率。如今人們越來越重視能約節(jié)約以及環(huán)境的保護(hù)，永磁同步電機(jī)的性能也得到了人們的普遍重視，開始廣泛的用在國民生產(chǎn)的諸多領(lǐng)域，所以加強(qiáng)該方面的研究顯得尤為重要。

本次研究主要是將繁瑣的磁路計算公式納入可視化的程序中，實現(xiàn)界面的簡潔，借助有限元軟件來計算和驗證程序中的重要參數(shù)，再通過禁忌算法來設(shè)計優(yōu)化電機(jī)性能，最終產(chǎn)生一個設(shè)計、分析和優(yōu)化為一體的設(shè)計軟件平臺。通過構(gòu)造電機(jī)平臺，主要是為了實現(xiàn)以下的幾個目的：首先，能夠直觀的顯示和快速的設(shè)計出永磁電機(jī)的圖形；其次，充分利用永磁電機(jī)的工作特性，計算出電機(jī)電磁的參數(shù)；再次，充分的利用有限元的驗證，來計算參數(shù)以及判斷工作特性的合理性程度；最后，借助經(jīng)過改進(jìn)的禁忌算法對電機(jī)的整體性能進(jìn)行優(yōu)化，確定電機(jī)最后的尺寸。

3 對永磁電機(jī)尺寸的優(yōu)化設(shè)計

研究中主要選擇了磁路法，通過VB將計算和查表的過程簡化了，這樣可以較為直觀的對輸入數(shù)據(jù)做出處理，輸出工作的相關(guān)曲線以及結(jié)果等都能夠形象的展現(xiàn)出來。輸入信息主要包括了電氣的技術(shù)參數(shù)、繞組和磁路的參數(shù)；輸出數(shù)據(jù)則主要是工作特性曲線以及電機(jī)的計算參數(shù)。

本次的研究主要是從定子內(nèi)徑、外徑以及槽底部的半徑等數(shù)據(jù)來計算極弧的系數(shù)，將定子槽面積作為主要的約束條件，采用禁忌的算法，選擇最佳的轉(zhuǎn)矩角和交軸磁通，可以算出電機(jī)在不同狀態(tài)下的優(yōu)化方案。

4 永磁同步電動機(jī)的優(yōu)化算法

4.1 建立在優(yōu)化的模糊控制

在對電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，如果單純的采用單一的禁忌算法就很容易導(dǎo)致局部優(yōu)化的情況。在研究中，采用了模糊控制的方式進(jìn)行改善，走出了局部優(yōu)化的局勢，

典型的常規(guī)模糊控制器的電機(jī)結(jié)構(gòu)如下圖所示，這其中ka和kb是比例因子，它不會和電機(jī)的具體參數(shù)進(jìn)行依賴，這就造成了系統(tǒng)有著極強(qiáng)的魯棒性。但是固定形式的模糊控制表示很難實現(xiàn)各種工況需求的，所以模糊控制規(guī)則和參數(shù)是會隨著工作情況的變化而不斷的調(diào)整和修改的。研究中主要的評價標(biāo)準(zhǔn)是電機(jī)的性能，電機(jī)的輸出功率以及效率是主要的變量。

4.2 約束條件的確定

電機(jī)優(yōu)化中的約束條件是會受到工藝條件的限制的，比如說如果槽滿率設(shè)置的不合適的話就會造成嵌線困難的情況；有電機(jī)性能的要求，比方說空載電動勢和氣隙磁密。

4.3 對變量進(jìn)行優(yōu)化

如果對變量進(jìn)行改變和優(yōu)化，就會造成電機(jī)的各個參數(shù)和性能之間也會出現(xiàn)相應(yīng)的變化。優(yōu)化變量的增加，系統(tǒng)的自由度以及設(shè)計的難度也會相應(yīng)的有所增加。所以過程中需要對變量的選擇以及數(shù)量的確定進(jìn)行總體把握，程序中主要選擇了五個優(yōu)化變量，主要是定子鐵芯長，計算極弧系數(shù)，定子內(nèi)徑和外徑以及定子的槽底部的半徑。

4.4 終止條件分析

在程序中主要選擇了最大的迭代步數(shù)的基本準(zhǔn)則，確定每一次的循環(huán)是否能夠達(dá)到迭代步數(shù)，如果到達(dá)了迭代步數(shù)，就要及時的推出，進(jìn)行運算。

5 分析算例程序優(yōu)化的結(jié)果

永磁同步電機(jī)程序設(shè)計優(yōu)化之后，需要對優(yōu)化的結(jié)果加強(qiáng)了解。為此，我們對額定功率是18KW，額定電壓是220V的永磁同步電機(jī)進(jìn)行了測試研究，對各項數(shù)據(jù)的檢測結(jié)果如下表所示：

從圖中，我們可以看出，優(yōu)化后的電機(jī)在功率和使用效率上都有了提升，使得永磁同步電機(jī)的使用效率得到了提升。這表明優(yōu)化是有非常好的效果的。

6 分析關(guān)鍵參數(shù)校準(zhǔn)驗證中ansonft的作用

對于傳統(tǒng)的永磁電機(jī)而言，存在著諸多的弊端，需要優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)使用效果的增加。在進(jìn)行永磁同步電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計中，參數(shù)的準(zhǔn)確計算是非常重要的內(nèi)容，這將直接影響著設(shè)計優(yōu)化的結(jié)果。

6.1 校驗電樞反應(yīng)電抗的參數(shù)

在電機(jī)設(shè)計的優(yōu)化工作中，如何計算電樞反應(yīng)電抗的參數(shù)存在著非常大的困難，但電樞反應(yīng)電抗值得存在對于判斷電機(jī)的牽入能力具有非常大的影響。加強(qiáng)電樞放映電抗參數(shù)的了解問題急需解決。電樞反應(yīng)電抗值減少，將會使得電動機(jī)的承載能力增加。就目前而言，ansonft在電樞反應(yīng)電抗值的計算上有著普遍的運用，計算的準(zhǔn)確度也非常的高，能夠為設(shè)計提供幫助。

6.2 校驗計算極弧系數(shù)的參數(shù)分析

計算極弧系數(shù)的檢驗，是為了校準(zhǔn)永磁同步電機(jī)的磁極。將氣隙磁分布繪制成圖，從圖中進(jìn)行分析。我們發(fā)現(xiàn)磁體的磁極不偏心的狀態(tài)下，計算值和實際的數(shù)字非常的符合。這說明優(yōu)化變量的計算中能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的計算。

通過對VB永磁同步電動機(jī)的設(shè)計優(yōu)化，我們可以發(fā)現(xiàn)電動機(jī)優(yōu)化設(shè)計中存在著諸多的不可控制因素，因此，需要加強(qiáng)這些不可控因素的優(yōu)化，才能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計的更加優(yōu)質(zhì)。在設(shè)計永磁同步電機(jī)的參數(shù)計算時，需要不斷的更改參數(shù)，從而實現(xiàn)設(shè)計的最優(yōu)化。從而實現(xiàn)電動機(jī)的最優(yōu)化設(shè)計，降低能耗的發(fā)生，使得電動機(jī)的運用效果得到提升。

6.3 數(shù)學(xué)模型的研究

無軸承永磁同步電機(jī)氣隙磁場由懸浮力繞組磁場、轉(zhuǎn)矩繞組磁場和永磁體磁場疊加而成，三者之間存在交叉稱合，現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)方法主要有磁共能法、麥克斯韋張量法、有限元法等，都是分別單獨建立轉(zhuǎn)矩繞組與懸浮力繞組數(shù)學(xué)模型，無法反映三者之間的動態(tài)非線性顆合的各種暫態(tài)過程，特別是對于無軸承永磁同步電機(jī)，不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)間的懸浮性能相差很大，其磁鏈方程、電壓和電流方程、懸浮力方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程等也存在一定的差異。因此要想獲得高品質(zhì)的動態(tài)控制性能，必須綜合考慮電機(jī)結(jié)構(gòu)、磁飽和、齒槽效應(yīng)、諧波和轉(zhuǎn)子偏心等，建立更加準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。

6.4 智能控制算法的研究

目前的無軸承永磁電機(jī)控制策略中，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制與懸浮力控制之間存在非線性、強(qiáng)親合等特性，使兩者之間的控制策略相互制約，導(dǎo)致解稱算法復(fù)雜，難以實用化。因此，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)和懸浮控制系統(tǒng)之間的相互獨立控制，既使懸浮控制子系統(tǒng)擺脫轉(zhuǎn)矩繞組磁場定向控制精度及其參數(shù)變化的影響，又可實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制不受懸浮控制的影響，提高系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。

7 結(jié)束語

總而言之，加強(qiáng)永磁同步電機(jī)的設(shè)計和優(yōu)化平臺的研究，能夠為永磁同步電機(jī)使用效果的提供提供保障。利用VB編寫程序是一項非常復(fù)雜的工作，需要加強(qiáng)對電機(jī)設(shè)計平臺的了解，從而實現(xiàn)電機(jī)設(shè)計的創(chuàng)新。使得傳統(tǒng)的永磁同步電機(jī)能夠簡化操作方法，縮短消耗的時間，同時提升精準(zhǔn)度，加強(qiáng)永磁同步電機(jī)在各個領(lǐng)域中你的廣泛運用。

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