基于二分法的感应型无轴承电机优化设计方法

摘要

本发明公开一种基于二分法的感应型无轴承电机优化设计方法，根据转矩绕组产生的气隙磁密峰值B1m和悬浮力绕组产生的气隙磁密峰值B2m计算磁场二分系数Kred，然后计算出初始定子外径、最大悬浮力，比较最大悬浮力Fm和最大悬浮力参考值FmN，根据精度要求，通过改变磁场二分系数Kred，反复迭代确定出符合要求的最终最大悬浮力Fm，从而确定出最终定子外径Do，进一步优化铁铜用量比例，缩小电机尺寸，可以以电机的最大转矩作为启动转矩，不必过多的关注电机的启动性能，从而使转子槽型得到进一步优化设计，得到更佳的运行性能。

说明书

技术领域

本发明属于磁悬浮传动/驱动装置的设计领域，特别涉及一种感应型无轴承电机的优化设计方法。

背景技术

感应型无轴承电机（也称为感应型磁悬浮电机）集传统感应电机的旋转功能与磁悬浮轴承的悬浮功能于一体，是新型的磁悬浮传动/驱动装置，在高速、超高速特种电气传动/驱动领域具有广阔的应用前景。

感应型无轴承电机中存在电磁转矩绕组和悬浮力绕组这两套绕组产生的磁场，而且两套绕组电流又分别在对方的磁场中产生感应电流，因此该电机的磁场分布十分复杂；最重要的是感应型无轴承电机在设计的时候不仅需要考虑转矩要求，而且还需要考虑到悬浮力要求，因此对电机优化设计的难度较大。目前常用的感应型无轴承电机优化设计方法均是参照普通感应电机的设计方法，即先按照常规感应电机的设计流程设计电机，确定转矩绕组参数，然后根据悬浮力要求设计悬浮力绕组，该方法需要反复试凑、费时费力，不能保证在转矩满足要求的情况下确保电机稳定悬浮运行的悬浮力，因此十分有必要研究一种满足感应型无轴承电机悬浮力性能的优化设计方法。

在数学领域中，二分法又称分半法，是一种方程式根的近似值求法，通过每次把已知函数f(x)的零点所在小区间收缩一半，使区间的两个端点逐步迫近函数的零点，如此重复，以求得零点的近似值。>

发明内容

针对现有感应型无轴承电机优化设计存在的问题，并针对感应型无轴承电机输出转矩和悬浮力在同一气隙磁场中产生的特点，本发明提出一种基于二分法的感应型无轴承电机的优化设计方法，对感应型无轴承电机的气隙磁场采用二分法进行优化设计，以提高感应型无轴承电机的性能。

本发明是通过如下技术方案实现的：根据电机实际设计要求，选定其转矩绕组极对数P₁、悬浮绕组力极对数P₂、额定功率P_N'、额定转速n_N、最大悬浮力参考值F_mN和最大悬浮力设计精度δ，P₂=P₁±1，还包括以下步骤：（1）根据实际设计要求选定电机转矩绕组产生的气隙磁密峰值B_1m和悬浮力绕组产生的气隙磁密峰值B_2m，计算磁场二分系数K_red，或，B_m是气隙磁密峰值，B_m=B_1m+B_2m；（2）计算电机的初始定子外径，，l、τ₁分别是根据实际设计要求选定的电机的定子长度和转矩绕组极距，为电机利用系数，=>_i/D_o；D_i是定子内径；（3）计算电机最大悬浮力，F_spec为单位面积上的悬浮力大小，用常规的有限元方法计算得到；（4）根据的要求，比较电机最大悬浮力F_m和所述最大悬浮力参考值F_mN，若不符合要求，则改变磁场二分系数K_red以改变最大悬浮力F_m，反复迭代，以此确定出符合要求的最终最大悬浮力F_m，从而确定出电机的最终定子外径D_o。>

本发明的有益效果是：

1、本发明考虑到电机利用系数K(ϛ)会随着悬浮力的产生而减小，引入磁场二分系数K_red，通过反复的迭代可以得到满足要求的最大悬浮力，克服传统感应电机设计方法在设计感应型无轴承电机时需要反复试凑、费时费力的缺点，可以缩短设计周期、降低设计成本，易于工程实现，具有设计简单、操作简便、设计时间短、工作效率高等优点。>

2、本发明可以以感应型无轴承电机的最大转矩作为启动转矩，因此可以不必过多的关注电机的启动性能，从而使转子槽型可以得到进一步优化设计，得到更佳的运行性能。

3、本发明在优化设计过程中直接与电机的定子参数相关联，从而可以优化感应型无轴承电机的定子外径，以及电机的铁铜用量比例，从而缩小电机尺寸，降低成本；通过找到令电机利用系数K()最大值时的定子内外径比值，得到功率密度最优的电机设计。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明所述基于二分法的感应型无轴承电机的优化设计方法的流程图。

具体实施方式

本发明引入磁场二分系数K_red，通过反复的迭代得到满足要求的最大悬浮力要求的磁场二分系数K_red，从而确定感应型无轴承电机的定子外径D_o，在此基础上，可以确定转子槽型尺寸和定子内径D_i等主要结构参数。如图1所示，本发明具体按以下步骤实施：

步骤1：根据感应型无轴承电机的实际设计要求，选定感应型无轴承电机的两套矩绕极对数，转矩绕组极对数P₁和悬浮绕组力极对数P₂，且满足P₂=P₁±1。选定感应型无轴承电机额定功率P_N'，额定转速n_N，最大悬浮力参考值F_mN以及要求的最大悬浮力设计精度δ。

步骤2：根据感应型无轴承电机的实际设计要求，选定感应型无轴承电机气隙磁密峰值B_m，气隙磁密峰值B_m包括两个部分：转矩绕组产生的气隙磁密峰值B_1m和悬浮力绕组产生的气隙磁密峰值B_2m，即B_m=B_1m+B_2m；然后根据气隙磁密峰值B_m，以及两部分的分量B_1m或B_2m，计算得到磁场二分系数K_red>K_red<1)，其计算公式如下：

。 （1）

该磁场二分系数K_red用来确定转矩或悬浮力所对应的气隙磁密占总磁密的比例。

步骤3：根据感应型无轴承电机的实际设计要求，给定感应型无轴承电机的主要尺寸比λ，即感应型无轴承电机的定子长度l和转矩绕组极距τ₁之比λ；，根据公式可计算出感应型无轴承电机的初始定子外径D_o，计算公式如下：>

（2）

（3）

式中，为电机利用系数，是一个与内外径之比=>i/D_o有关的函数；D_i是定子内径。

步骤4：计算感应型无轴承电机径向最大悬浮力F_m，其计算公式如下：

（4）

式中，F_spec为单位面积上的悬浮力大小，在电机设计阶段其值可以利用常规的有限元方法计算得到。

步骤5：比较此时感应型无轴承电机最大悬浮力F_m和步骤1中选定的设计要求的最大悬浮力参考值F_mN，其比较公式如下：

（5）

若不满足要求，则改变磁场二分系数K_red>K_red<1)，相应地通过式（2）改变定子外径D_o，从而通过式（4）改变了最大悬浮力F_m，以此进行反复迭代，直到式（5）成立为止，确定出感应型无轴承电机的最终最大悬浮力F_m，可以得到满足要求的最终最大悬浮力，从而通过式（4）可以确定出感应型无轴承电机的最终定子外径D_o。

以感应型无轴承电机实际需要的最大转矩T_m作为启动转矩，保证电机在最终最大悬浮力F_m稳态悬浮运行的基础上，可以优化设计感应型无轴承电机的转子槽型。感应型无轴承电机的转子槽优化设计为浅型、平行齿的圆底槽型，并且满足如下条件：

（6）

式中，b₁为转子槽上宽，b₂转子槽上宽，h_b为转子槽高。从而可以降低转子漏磁和转子阻抗值，提高感应型无轴承电机的功率因数和运行效率。

将电机利用系数K()取最大值，确定电机利用系数K()取最大值时的定子内外径比值=>_i/D_o，从而确定感应型无轴承电机的最终定子内径D_i。进一步地利用感应型无轴承电机的最终定子外径D_o和最终定子内外径之比=>i/D_o作为可优化变量，进而优化电机的铁铜用量比例，提高感应型无轴承电机的能量密度。

根据以上所述，便可以实现本发明。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。

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