一种表贴式永磁电机磁极优化设计方法

技术领域

本发明属于电机的电磁设计技术领域，具体涉及一种表贴式永磁电机磁极优化设计方法。

背景技术

永磁电机结构形式多种多样，其中表贴式的转子结构具有结构简单、漏磁小、电枢反应小等优点，成为了永磁电机的典型结构之一。

随着永磁电机技术的不断发展，对其性能提出了更高的要求，针对表贴式永磁电机的结构特点对其磁极进行优化设计，关注电机的电磁转矩、转矩脉动以及气隙磁密等影响永磁电机性能的关键参数，以满足高性能的需要是必要的设计工作。

发明内容

本发明提供一种表贴式永磁电机磁极优化设计方法，旨在削弱来自于电机切向电磁力引起的振动，以降低定子开槽以及电枢反应所引起的转矩波动，从而达到降低电机切向电磁振动，提高永磁电机运行性能的目的。

为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种表贴式永磁电机磁极优化设计方法，包括如下步骤：

S1，永磁磁极设计变量的有限元初步扫描计算：

S1.1，基于有限元的永磁电机参数化建模：将以参数的形式存在的磁极极弧系数、磁极偏心距以及永磁体厚度作为永磁磁极设计变量，对永磁电机定转子几何模型进行参数化建模；

S1.2，在几何尺寸允许的范围内，确定设计变量的优化区间，即满足几何尺寸要求的永磁磁极设计变量的最大值和最小值，该最大值和最小值应确保永磁电机磁极模型不存在交叉、超界等问题；需要将永磁磁极设计变量的最大值和最小值带入永磁电机定转子几何模型检查，确保几何模型的正确性；

S1.3，针对永磁磁极设计变量的参数化扫描计算：进而分别利用瞬态电磁场和静态电磁场将S1.2中确定的永磁磁极设计变量的范围按照相等间隔扫描计算，从而得到与之相对应的目标变量，即电磁转矩、电磁转矩脉动率、功率因数以及空载气隙磁密的值，为了提高计算效率，根据设计经验设计变量取较为宽的间隔范围；

S2，基于目标变量确定设计变量细化范围：建立设计变量和目标变量的对比表，设计人员针对目标变量即电磁转矩的大小、电磁转矩脉动率的大小、功率因数的要求，以及空载气隙磁密的大小，初步确定设计变量的细化范围；

S3，永磁磁极设计变量的有限元细化扫描计算：根据S2确定的设计变量的细化范围，再次利用瞬态电磁场和静态电磁场将永磁磁极设计变量的磁极极弧系数、磁极偏心距以及永磁体厚度按照等间隔细化扫描计算，从而得到与之相对应的目标变量即：电磁转矩、电磁转矩脉动率、功率因数以及空载气隙磁密的值；

S4，基于目标变量确定最终优化方案：根据永磁磁极设计变量的有限元细化扫描计算结果，建立设计变量和目标变量的对比表，设计人员基于电磁转矩、空载气隙磁密、电磁转矩脉动率、功率因数满足设计要求范围的原则同时兼顾永磁电机结构设计合理性的需要，选择最终的优化方案。

所述的一种表贴式永磁电机磁极优化设计方法，其参数化建模主要是利用maxwell、ansysEM、magnet等软件对永磁电机进行参数化建模。

所述的一种表贴式永磁电机磁极优化设计方法，其步骤S2与步骤S4中所涉及的设计变量和目标变量的对比表利用python、Matlab等软件编程实现数据载入、建立，通过滚动条查看方案，明确方案范围。

所述的一种表贴式永磁电机磁极优化设计方法，其对比表是电磁转矩、电磁转矩脉动率、功率因数以及空载气隙磁密的对比表。

本发明的有益效果是：本发明设计方法分两次对设计变量进行扫描计算并通过人工筛选方案，一方面可以让设计人员了解设计变量在优化的过程中目标变量的变化趋势，进而掌握设计变量的变化与目标变量之间的关系及规律，从而可以让技术人员积累设计经验，提高设计能力；另一方面宽范围扫描计算可以快速掌握设计变量的大致范围，使得设计过程不盲目，而小范围的细化的扫描计算则可以快速准确的定位设计变量的值，整个过程有效提高了计算效率。

附图说明

图1为本发明优化设计方法的流程图；

图2 为本发明优化结果列表。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1所示，本发明公开的一种表贴式永磁电机磁极优化设计方法，主要包括S1永磁磁极设计变量的有限元初步扫描计算、S2基于目标变量确定设计变量细化范围、S3永磁磁极设计变量的有限元细化扫描计算和S4基于目标变量确定最终优化方案四步骤。

其中步骤S1具体如下。

S1.1，基于有限元的永磁电机参数化建模：将以参数的形式存在的磁极极弧系数、磁极偏心距以及永磁体厚度作为永磁磁极设计变量，对永磁电机定转子几何模型进行参数化建模。

S1.2，在几何尺寸允许的范围内，确定设计变量的优化区间，即满足几何尺寸要求的永磁磁极设计变量的最大值和最小值，该最大值和最小值应确保永磁电机磁极模型不存在交叉、超界等问题，需要将永磁磁极设计变量的最大值和最小值带入永磁电机定转子几何模型检查，确保几何模型的正确性；将最大值和最小值代入模型检查，如果模型没有交叉没有超界等情况，该最大值和最小值是合适的，否则该最大值和最小值需要重新定义。

S1.3，针对永磁磁极设计变量的参数化扫描计算：分别利用瞬态电磁场和静态电磁场将永磁磁极设计变量按照相等间隔扫描计算，从而得到与之相对应的目标变量，即电磁转矩、电磁转矩脉动率、功率因数以及空载气隙磁密的值，为了提高计算效率，根据设计经验设计变量取较为宽的间隔范围。

永磁磁极设计变量的有限元初步扫描计算主要是借助于maxwell、ansysEM、magnet等软件对永磁电机进行参数化建模，设置设计变量（磁极极弧系数、磁极偏心距以及永磁体厚度）的最大、最小范围以及计算间隔，分别利用瞬态有限元和静态有限元完成负载电磁转矩、负载电磁转矩脉动率、功率因数以及空载气隙磁密的计算。

S2，根据永磁磁极设计变量的有限元初步扫描计算结果，建立设计变量和目标变量的对比表，设计人员针对目标变量即电磁转矩的大小、电磁转矩脉动率的大小、功率因数的要求，以及空载气隙磁密的大小，初步确定设计变量的范围。

S3，永磁磁极设计变量的有限元细化扫描计算：根据设计变量的细化范围，再次利用瞬态电磁场和静态电磁场将永磁磁极设计变量的磁极极弧系数、磁极偏心距以及永磁体厚度按照等间隔细化扫描计算，从而得到与之相对应的目标变量的电磁转矩、电磁转矩脉动率、功率因数以及空载气隙磁密的值。

步骤S3是依据步骤S2的设计变量的的范围，重新对设计变量进行细化的参数化扫描计算，从而获取与之相对应的目标变量电磁转矩、电磁转矩脉动率、功率因数以及空载气隙磁密。

所述的步骤S1和S3可以利用Maxwell、AnsysEM以及Magnet等有限元软件实现。

S4，基于目标变量确定最终优化方案：根据永磁磁极设计变量的有限元细化扫描计算结果，建立设计变量和目标变量的对比表，即电磁转矩、电磁转矩脉动率、功率因数以及空载气隙磁密的对比表，设计人员基于电磁转矩、空载气隙磁密、电磁转矩脉动率、功率因数满足设计要求范围的原则同时兼顾永磁电机结构设计合理性的需要，选择最终的优化方案。

步骤S2与步骤S4中所涉及的设计变量和目标变量的对比表利用python或Matlab等软件编程实现数据载入后建立，通过滚动条查看方案，明确方案范围。基于目标变量确定设计变量细化范围主要针对永磁磁极设计变量的有限元初步扫描计算结果，利用python、matlab等软件载入计算结果形成如图2所示优化结果列表，设计人员通过对比，确定永磁磁极设计变量细化范围。设计人员依据目标变量（负载电磁转矩、负载电磁转矩脉动率、功率因数以及空载气隙磁密）的目标值，结合结构设计的可行性，确定最终的优化方案。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。