一种表贴式永磁电机转矩波动优化方法
lipiwang 2024-11-06 19:34 6 浏览 0 评论
表贴式永磁电机结构简单,应用范围广阔,近些年来得到蓬勃发展。现在用户对该结构电机的性能,包括平均转矩和转矩波动等提出了更高的要求。此外,随着钕铁硼永磁材料价格的不断攀升,减小钕铁硼永磁体的用量成为永磁电机发展新趋势。为此,文献[1]提出一种组合磁极,该结构既能够降低电机的转矩脉动,又降低了电机的材料成本。
方法原理:采用不同磁性能的永磁材料进行组合,将传统的矩形永磁磁动势变为近似正弦分布的永磁磁动势,提高气隙磁密正弦度。
方法简介:保持永磁体的形状和体积不变,将传统电机中,采用整块钕铁硼永磁材料的磁极,变成按照…3-2-1-2-3…对称分布的组合式永磁磁极,如图1所示。组合磁极的磁动势关于d轴对称,呈正弦分布,在d轴处的磁动势最大,向两侧逐渐减小
理论上讲,当组合的磁极块数足够多,气隙磁场能够做到无限接近正弦。但随着磁极块数增多,加工难度和装配复杂度也随之增加。这点可参照定子磁动势:每极每相槽数q越大,定子绕组磁场正弦度越高,但实际生产中,不会为了增加定子磁场正弦度而无限增加定子槽数。选择q=2或q=3即可满足应用需求,如8极48槽(q=2)和6极54槽(q=3)。
文献[1]中选择3种永磁材料进行组合。其中, 1和2采用钕铁硼永磁材料,3则采用廉价的铁氧体永磁材料,123三种永磁材料的磁性能依次降低。同时,为了保证电机的输出转矩,要求1和2永磁材料的磁性能要更高。
此时,整个电机转子截面图如图2所示,3种永磁材料磁性能和价格如表1所示。图2中,一个极下材料1所占的夹角为X1,材料3所占的夹角为X2,若永磁体占据机械角度为X,那么材料2的夹角等于X-X1-2X2。
表1 2018年材料性能与价格 | |||
永磁材料 | 名称 | 剩磁密度/T | 价格/(USD美元) |
传统电机(钕铁硼) | NdFeB0 | 0.47 | 30 |
材料1(钕铁硼) | NdFeB1 | 0.67 | 40 |
材料2(钕铁硼) | NdFeB2 | 0.61 | 35 |
材料3(铁氧体) | Ferrite3 | 0.375 | 4 |
接下来,需要采用优化方法来确定三种永磁材料所占的夹角。在优化过程中,应保证永磁体的体积恒定,输出转矩不小于传统电机的输出转矩。文献[1]中首先给出一种组合方式(Proposed model),随后采用遗传算法进行优化,得到最终的优化结果(Optimizaed model),两种组合方式的材料夹角如表2所示。
表2 材料机械角度 | ||
提出模型 | 优化模型 | |
X1/度 | 10 | 16.6 |
X2/度 | 24 | 26.4 |
三种电机的气隙磁密波形以及对应的频谱分别如图3和图4所示。
从图4中可以看出,三种电机的基波气隙磁密近似相等,但组合磁极的3次谐波有明显降低,气隙磁密总的畸变率降低,正弦度更高。
三种电机齿槽转矩波形如图5所示,同一电流下的电磁转矩如图6所示。从图中可以看出,采用组合磁极能够有效降低电机的齿槽转矩和转矩脉动。
表3 电机性能与材料成本 | ||||
单位 | 传统模型 | 提出模型 | 优化模型 | |
齿槽转矩 | Nm | 0.1137 | 0.0586 | 0.0359 |
平均转矩 | Nm | 0.6829 | 0.7154 | 0.7155 |
转矩波动 | % | 21.38 | 12.21 | 11.53 |
永磁体成本 | USD | 5.82 | 3.61 | 3.51 |
三种电机的转矩数值大小和永磁体成本如表3所示,从表中可以看出,优化后的组合磁极降低电机的齿槽转矩和转矩脉动效果明显,还能够降低永磁材料成本。
总结与评价:采用包含铁氧体永磁材料的组合磁极能够提高气隙磁密正弦度,进而减小电机的齿槽转矩、转矩波动以及材料成本。文中的平均转矩虽略有提升,但这是由传统电机采用的NdFeB0的剩磁密度低(0.47T)引起的。如果传统电机已采用高剩磁的钕铁硼永磁体,采用组合磁极后,电机的平均转矩肯定会有所下降。
参考文献:[1] Zhao W, Shen H, Chai W, et al. Optimal design and experimental test of a SPM motor with cost-effective magnet utilization to suppress torque pulsations[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2018, 54(11): 1-5.
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