永磁同步电机转子结构优化设计_开题报告

一、研究背景和意义

近年来，永磁材料性能的概述以及电力电子技术的级不，推动了新原理、新结构永磁同步电机的开发，有力地促进了电机产品的技术、品种及功能的发展，某些永磁同步电机已经形成序列化产品，容量从小到大，已达到兆瓦级，应用范围越来越广；其地位越来越重要，从军工到民用，特殊到一般迅速扩大，不进在微特电机中占优势，而且在电力推荐系统中也显示出了强大的生命力。

永磁同步电机被广泛应用在电动汽车、混合动力汽车、航空材料、电梯、家用电器以及很多其他工业设备中。然而，由于电机结构的凹凸性及磁场耦合效应的影响，内置式永磁同步电机具有较大的转矩脉动，这在很多场合会带来不利的影响。因此，降低内置式永磁同步电机的转矩脉动非常重要。影响转矩脉动的因素主要分控制方面和本体方面。控制方面受导通压降，死区时间，电流采样精度等影响。本体方面主要受齿槽转矩，反电动势波形畸变，磁路饱和等影响。永磁电机向大功率、高转速、高力矩、高效率同时质轻发展，开发出高效率、高转速、高功率的永磁同步机，可见对环保、高效高质量服务等方面具有很大的推动作用，也是它的的发展趋势。

二、国内研究现状

2008年周赣等采用新型Halbatch永磁电机实现了气隙磁密波形的正弦分布。2009年徐英雷等采用不均匀偏心气隙改善气隙磁密波形，得到了偏心距和气隙磁密波形畸变率之间的关系曲线，应用仿真结果求解了最优偏心距。2014年李延升针对不同充磁方式对电机磁场性能影响不同这一现象，提出一种计算内置式永磁体转子电机气隙磁密的解析算法。证明了内置式永磁体转子选择平行充磁可提高气隙磁密的正弦分布程度并且获得较高的气隙磁密峰值。

虞毅等通过田口算法初选出对永磁同步电机最大转矩影响较大的结构参数，然后利用响应曲面法确定了平均转矩与结构参数之间的函数关系，最后利用遗传算法对电机转矩进行优化。范坚坚等以永磁体参数为变量，以气隙磁密基波幅值和磁密正弦畸变量为优化目标，设计了一种多目标的混合全局优化算法。由于标准遗传算法在运算后期对环境的适应能力有所降低，容易出现早熟的情况。夏云峰等利用小生境技术对标准遗传算法进行改进，较好的解决了算法的早熟问题。方攸同采用禁忌搜索算法将高维问题降维分解同时缩小算法搜索范围，之后采用遗传算法对异步电机进行了优化，优化效果显示了方法的有效性。张经纬用一种参数估算方法将遗传算法和试验数据结合起来，将实测值与计算预估值之差作为目标函数，采用遗传算法对其进行优化使得预估值与实测值之差最小。李立毅等建立了电机分层模型，提出了一种基于权重系数的多目标优化函数，采用了多种群遗传算法作为寻优手段优化电机结构尺寸，对比分析了不同权重系数的电机优化方案，并利用有限元结果验证了方法的有效性。

三、国外研究现状

2011年Laskaris，Kladas将矩形永磁体表面加工为弧形，使永磁体充磁方向的厚度按照一定规律变化，从而使气隙磁场波形接近正弦分布。此种结构的永磁体加工困难，制造成本比常规的矩形磁钢大幅提高。2012年，Nerg，J.等学者将永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor）转子叠片在转子q轴方向设计出一个特殊弧形，该结构一方面设置了一个隔磁桥限制转子漏磁，另一方面也使气隙磁场波形更接近正弦分布，改善了气隙磁场，但同时使加工难度增大。2014年Dong-Ku采用分段分层（Multi-segmentandMulti-layer）永磁体设计，永磁体加工安装难度低，气隙磁密波形分布类似于阶梯式，减小了气隙磁密波形的谐波分量。

也有些学者通过改变转子拓扑结构或嵌入的永磁体结构来适当增加漏磁路径，从而增强内置式永磁电机在恒功率运行阶段的弱磁扩速能力。2006年Dutta设计制作了一台分段内置式永磁电机样机，将转子永磁体做分段处理，这样增加了永磁体的漏磁路径，降低了气隙磁密峰值，并将样机与常规内置式永磁电机就最大转矩，恒功率运行速度范围，铁心损耗等性能进行了对比测试，测试结果证实了其调速范围宽，损耗小等优点。2008年Stumberger也设计了一台分段式永磁体转子结构电机，展示的仿真结果证明其恒功率运行调速范围超过5:1。Dutta和Stumberger根据仿真及测试结果推断永磁体间的磁桥提供的额外漏磁路径是导致电机的弱磁能力增强的原因，与之观点相同的还有Laskaris。2014年Shiying利用冻结磁导率方法，分别对电机在恒转矩运行区间和恒功率运行区间隔磁桥的磁通密度进行了对比分析，最终解释了单层分段内嵌式永磁结构电机的弱磁原理。

Young-Hun等采用响应曲面法分析了隔磁桥形状和永磁体材料对电机转矩波动的影响。Cheng Wen等在响应曲面法的基础上提出了一种方法，通过改变绕组的横截面形状来减小开关磁阻电机的气隙磁密波形的谐波含量。Jung HoLee采用响应曲面法和有限元法相结合以最大转矩密度，最小转矩波动为优化目标设计制作了一台开关磁阻电机。

B. ^范文提纲

摘要

引言

一、永磁同步电机

（一）国内外研究

（二）永磁同步电机理论

二、拓扑结构

（一）原拓扑结构介绍

（二）拓扑优化设计

（三）参数优化设计

三、磁场及齿槽转矩分析

（一）气隙磁场分析

（二）齿槽转矩分析

四、内置式转子冲片优化分析

（一）转子冲片有限元模型

（二）拓扑优化模型

（三）形状尺寸优化模型

五、实例验证

（一）V型磁路转子冲片优化

（二）转子冲片强度校核对比

（三）电机超速试验结果

六、Taguchi法参数优化

参考文献

致谢

C. 参考文献

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