一种同步磁阻电机转子结构及同步磁阻电机

技术领域

本发明属于同步磁阻电机技术领域，特别涉及一种同步磁阻电机转子结构及同步磁阻电机。

背景技术

在节能减排号召的背景下，同步磁阻电机因其结构简单、调速范围宽、成本低廉等优点获得广泛关注；与永磁同步电机相比，因同步磁阻电机不存在永磁体，无需考虑高温下永磁体退磁的风险；与感应电机相比，同步磁阻电机省去了转子上的鼠笼条和励磁绕组，减少了转子上的损耗，节省了电机制造成本。但是，同步磁阻电机也存在一些问题，例如转矩脉动大、输出转矩低等，这些问题阻碍了同步磁阻电机的应用。

同步磁阻电机利用磁阻最小原理产生磁阻转矩，并且磁阻转矩的大小与d轴和q轴电感值有关。d轴电感与q轴电感差距越大，同步磁阻电机磁阻转矩越大；d轴电感与q轴电感差距越小，同步磁阻电机的磁阻转矩越小。同步磁阻电机的磁障形状影响dq轴电感差值，为提高电感差值需要对同步磁阻电机磁障形状进行优化设计。

同步磁阻电机转矩脉动大主要与同步磁阻电机存在空间谐波有关，而空间谐波主要是由定、转子几何结构设计不合理和定子电流畸变引起的，一般地，同步磁阻电机定子结构和绕组分布形式与同容量三相异步电机是相同的，因此同步磁阻电机转矩脉动大主要是因为转子几何结构设计不合理。

目前，主要通过转子结构的优化设计来解决同步磁阻电机转矩脉动大，输出转矩低等问题。为此，本申请提出一种同步磁阻电机转子结构及同步磁阻电机。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种同步磁阻电机转子结构及同步磁阻电机。

本发明解决所述技术问题所采用的技术方案如下：

一种同步磁阻电机转子结构，包括转轴和安装在转轴上的转子铁芯；转子铁芯上设有多个呈圆周分布的空气磁障组，空气磁障组朝转子铁芯径向内侧凸出，每个空气磁障组包括多个沿q轴方向排布的空气磁障层，每个空气磁障层关于q轴非对称，相邻空气磁障层之间形成导磁层；其特征在于，每个空气磁障层沿转子径向的横截面视为由两条长边界线和两条短边界线围合而成，两条长边界线分别为内、外侧长边界线，均满足式(1)～(4)的等价贝塞尔(Quadratic bezier)曲线参数方程；

P

P

P

其中，t∈[0,1]为位置参数，P

空气磁障层的长边界线的两个端点P

其中，P

进一步的，所述空气磁障组包括五个空气磁障层，由内之外依次为第一空气磁障层、第二空气磁障层、第三空气磁障层、第四空气磁障层以及第五空气磁障层；其中，第一空气磁障层最大厚度与第二空气磁障层最大厚度之比为1.0～2.0，第二空气磁障层最大厚度与第三空气磁障层最大厚度之比为2.0～3.0，第三空气磁障层最大厚度与第四空气磁障层最大厚度之比为1.0～2.0，第四空气磁障层最大厚度与第五空气磁障层最大厚度之比为0.5～1.0；第一空气磁障层横截面上同一条短边界线的两个端点分别到转子中心轴的垂线之间的夹角为2.5°～4.0°，第二空气磁障层横截面上同一条短边界线的两个端点分别到转子中心轴的垂线之间的夹角为2.5°～4.0°，第三空气磁障层横截面上同一条短边界线的两个端点分别与转子中心轴的垂线之间的夹角为3°～4°，第四空气磁障层横截面上同一条短边界线的两个端点分别到转子中心轴的垂线之间的夹角为2°～3°，第五空气磁障层横截面上同一条短边界线的两个端点分别到转子中心轴的垂线之间的夹角为2.5°～3.5°；第一空气磁障层横截面上内侧长边界线的峰值点到转子中心轴的垂线与d轴之间的夹角为30°～50°，第二空气磁障层横截面上内侧长边界线的峰值点到转子中心轴的垂线与d轴之间的夹角为40°～50°，第三空气磁障层横截面上内侧长边界线的峰值点到转子中心轴的垂线与d轴之间的夹角为40°～50°，第四空气磁障层横截面上内侧长边界线的峰值点到转子中心轴的垂线与d轴之间的夹角为40°～50°，第五空气磁障层横截面上内侧长边界线的峰值点到转子中心轴的垂线与d轴之间的夹角为40°～50°。

一种同步磁阻电机，其特征在于，该电机包括上述的转子结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

转子结构的空气磁障层的长边界线由Quadratic bezier曲线组成，其形状的任意性有助于提高输出转矩，并降低转矩脉动。提出的改进蛇多目标优化算法通过引入佳点集法、反向学习、精英选择策略与轮盘赌法，相对遗传算法具有更优的结果。

附图说明

图1为本发明的转子结构示意图；

图2为Quadratic bezier曲线形成原理图；

图3为改进蛇优化算法流程图；

图4为不同优化算法得到的同步磁阻电机转矩性能；

图中，1-第一空气磁障层；2-第二空气磁障层；3-第三空气磁障层；4-第四空气磁障层；5-第五空气磁障层；6-第一导磁层；7-第二导磁层；8-第三导磁层；9-第四导磁层；10-肋；11-转轴；12-转子铁芯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清晰、完整的描述，但并不以此限定本申请的保护范围。

如图1所示，本发明提供了一种同步磁阻电机转子结构，包括转轴11和安装在转轴11上的转子铁芯12；转子铁芯12上设有多个呈圆周分布的空气磁障组，空气磁障组朝转子铁芯径向内侧凸出，每个空气磁障组包括多个沿q轴(q轴是指空气磁障组自身的中心线)方向排布的空气磁障层，每个空气磁障层关于q轴非对称，相邻空气磁障层之间形成导磁层；本实施例中，每个空气磁障组设有五个空气磁障层，则空气磁障组由内至外依次为第一空气磁障层1、第一导磁层6、第二空气磁障层2、第二导磁层7、第三空气磁障层3、第三导磁层8、第四空气磁障层4、第四导磁层9和第五空气磁障层5；每个空气磁障层的末端与转子铁芯12边缘之间的部分为肋10，本实施例中肋宽取1mm；空气磁障层以邻近转子铁芯中心的一侧为内侧，反之为外侧。

每个空气磁障层沿转子径向的横截面视为由两条长边界线和两条短边界线围合而成，其中，两条长边界线分别为内、外侧长边界线，均满足式(1)～(4)的Quadraticbezier曲线参数方程，其形成原理如图2所示；

P

P

P

其中，t∈[0,1]为位置参数，P

空气磁障层的两条短边界线均满足式(5)的参数方程，长边界线的两个端点P

其中，P

每个空气磁障组包括五个空气磁障层，其中，第一空气磁障层最大厚度h

实施例

本实施例的同步磁阻电机主要参数参见表1。

表1电机主要参数

对蛇优化算法进行改进，将转子结构作为蛇优化算法的个体，待优化参数作为个体参数，利用改进后的蛇优化算法对同步磁阻电机转子结构进行优化。转子结构的待优化参数包括：第一空气磁障层最大厚度与第二空气磁障层最大厚度之比、第二空气磁障层最大厚度与第三空气磁障层最大厚度之比、第三空气磁障层最大厚度与第四空气磁障层最大厚度之比、第四空气磁障层最大厚度与第五空气磁障层最大厚度之比、δ

首先，生成初始种群，初始种群包括n个均匀分布的个体，每个个体包含所有待优化参数，则个体i的第j个待优化参数x

x

其中，x

对所有个体分别进行反向学习，生成反向学习的个体，一共生成2n个个体；反向学习表示为：

X

其中，X

然后，通过精英选择策略对目前生成的2n个个体进行排序，仅保留n个个体进行迭代；假定雄性和雌性个体数量各占50％，根据式(9)将种群划分为雄性群体和雌性群体；

其中，N

对于雄性群体和雌性群体，分别通过非支配排序和轮盘赌法得到最佳雄性个体X

温度用式(10)定义：

其中，t为当前迭代次数，T为最大迭代次数；

食物量用式(11)定义：

其中，c

如果Q<0.25，蛇通过选择任何随机位置来寻找食物，以此更新个体位置，如式(12)～(15)；

X

其中，X

其中，f

X

其中，X

其中，f

如果Q>0.25且Temp>0.6，蛇只会靠近食物，个体位置更新通过式(16)～(17)实现；

X

X

其中，c

如果Q>0.25且Temp<0.6，且随机数rand>0.6，蛇进入战斗模式，个体位置更新通过式(18)～(21)实现；

X

其中，FM为雄性的战斗能力，可由式(19)求得：

其中，f

X

其中，FM为雄性的战斗能力，可由式(21)求得：

其中，f

如果Q>0.25且Temp<0.6，且随机数r<0.6，蛇进入交配模式，个体位置更新通过式(22)～(27)实现；

X

其中，M

X

其中，M

如果蛇交配后蛋孵化，则由式(26)～(27)更新最差雌性和雄性个体的位置，

X

X

其中，X

为了验证本发明提出的同步磁阻电机优化方法的技术效果，分别采用改进蛇优化算法(IMOSO)与遗传算法(MOGA)对同步磁阻电机转子结构以提升转矩性能为目标进行优化。通过改进蛇算法优化的同步磁阻电机转子结构，当h

图4为本发明的同步磁阻电机在不同优化算法下的输出转矩对比图；同步磁阻电机的初始平均转矩为70.9317，转矩脉动为12.03％；MOGA算法优化得到的同步磁阻电机的平均转矩为73.2205Nm，转矩脉动为5.82％；IMOSO算法优化得到的同步磁阻电机的平均转矩为73.2258Nm，转矩脉动为4.88％；IMOSO算法优化得到的同步磁阻电机转矩性能优于MOGA优化得到的同步磁阻电机转矩性能。

综上，仿真结果表明，转子结构的空气磁障层的长边界线由Quadratic bezier曲线组成，其形状的任意性有助于提高输出转矩，并降低转矩脉动。提出的改进蛇多目标优化算法通过引入佳点集法、反向学习、精英选择策略与轮盘赌法，相对遗传算法具有更优的结果。

本发明未述及之处适用于现有技术。