分段式Halbach阵列永磁同步电机磁场分析及稳健性优化设计

摘要

Halbach阵列因其特殊的充磁方式，具有磁场分布正弦度好、磁密幅值高、磁屏蔽等特性，在电机等电磁工程领域得到广泛应用。磁场是电机实现能量转换的媒介，了解并预测电机内磁场分布对认识与理解电机工作机制、分析与研究电机电磁性能、设计与优化电机结构具有重要意义。本文针对分段式Halbach阵列永磁同步电机，分析其主磁场与电枢磁场分布，研究齿槽效应对气隙磁场分布的影响，并提出稳健性优化设计方案。
　　本文根据磁场解析基本理论，建立分段式Halbach阵列永磁同步电机空载气隙磁场解析模型。为便于分析应用，根据电机定、转子相对位置及转子芯材料属性对解析模型整理化简，有限元分析表明，解析模型能较好地描述气隙磁场分布。在此基础上，研究气隙磁密随电机结构尺寸、材料属性等参数的变化规律。
　　永磁同步电机电枢铁芯上通常分布有齿、槽，致使气隙磁密波形畸变加重，电机运行性能恶化。为研究齿槽效应，基于子域模型法，建立电枢开槽情况下空载气隙磁场解析模型，并分析电机空载反电动势和齿槽转矩特性。有限元分析结果表明，解析模型能够真实反映电枢开槽对气隙磁场的影响，经与理想气隙磁密波形相比，电枢开槽后波形畸变更加严重。
　　永磁同步电机正常运行时，电枢磁场将对主磁场产生影响。为研究电枢反应，相继建立电枢无槽和开槽时电枢磁场解析模型，有限元分析表明，解析模型预测电枢磁场分布准确性较好，且齿槽效应同样导致电枢磁场波形畸变严重。在此基础上，将主磁场与电枢磁场相结合，研究电机电磁转矩特性。
　　Taguchi法是参数设计的有效工具，通过配置参数确保设计方案的稳健性。据此，利用Taguchi法确定电机结构尺寸、材料属性等参数最佳配置，改善气隙磁场分布，并检验各参数影响的显著性程度。研究结果表明，各参数的显著性程度因输出特性的不同而变化，且存在不同的最佳参数组合，具体确定时应权衡利弊，综合选择。
　　粒子群优化技术是一种基于群智能理论的全局优化技术，其调节参数少，易于实现。由于算法性能优劣与参数配置合理性有关，首先利用Taguchi法对其进行参数设计，继而引入自调节与自进化机制，提高算法收敛速率和求解精度。最后，基于该优化技术对分段式Halbach阵列永磁同步电机进行优化设计，为有效抑制齿槽转矩提供稳健性设计方案。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1引言

1.2永磁同步电机发展概况

1.3永磁同步电机磁场分析研究动态

1.4永磁同步电机参数设计及优化技术

1.5论文主要研究内容

第二章 分段式Halbach阵列永磁同步电机理想气隙磁场分析

2.1分段式Halbach阵列永磁同步电机磁场计算

2.2内外转子永磁同步电机磁场简化模型

2.3电机参数对气隙磁场分布的影响

2.4本章小结

第三章 分段式Halbach阵列永磁同步电机非理想气隙磁场分析

3.1空载气隙磁场解析模型

3.2负载气隙磁场解析模型

3.3本章小结

第四章 基于Taguchi法的Halbach阵列永磁同步电机参数设计

4.1 Taguchi法理论研究

4.2分段式Halbach阵列永磁同步电机参数设计

4.3本章小结

第五章 分段式Halbach阵列永磁同步电机稳健性优化设计

5.1基于Taguchi法的粒子群优化算法参数设计

5.2自调节自进化粒子群优化算法

5.3分段式Halbach阵列永磁同步电机齿槽转矩优化设计

5.4本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢