一种能够有效减小电机铁耗的内置式永磁电机的制作方法
【专利说明】-种能够有效减小电机铁耗的内置式永磁电机 所属技术领域
[0001] 本发明涉及一种永磁电机。
【背景技术】
[0002] 内置式永磁电机的永磁体位于转子内部，在永磁体外表面与转子铁心内圆之间 (对于外转子磁路结构则为永磁体内表面与转子铁心内圆之间）有铁磁物质制成的极靴， 这使得d、q轴磁路不对称，即L d# L q，由于转子磁路结构的不对称使得电机产生磁阻转矩， 这使得内置式永磁电机具有较高的功率密度及转矩密度，且磁阻转矩也有助于提高电机的 过载能力及电机的弱磁扩速能力，内置式永磁电机的运行转速范围宽，因此内置式永磁电 机被广泛应用于汽车、机车牵引、风机、水泵、纺织、化纤、工业机器人、办公自动化、数控机 床及航空航天等工业领域中。
[0003] 内置式永磁电机的转子磁路结构按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系 被分为径向式、切向式和混合式三种，其中，"U"型永磁体结构属于混合式结构，相比于常见 的属于径向式结构的"一"字型和"V"字型永磁体结构，"U"字型永磁体结构可以为安放永 磁体提供更多的空间，空载漏磁系数也较小。
[0004] 由于转子铁心对永磁体的保护使得内置式永磁电机适于高速运行，当电机转速较 高时，气隙磁场基波及由永磁体的谐波磁动势和定子磁动势的非正弦分布等引起的气隙磁 场谐波分量的交变频率较高，从而使得电机的定、转子铁耗较大，这一方面会使得电机的效 率降低，另外由于转子的散热条件较差，较高的转子铁耗会使得永磁体容易产生不可逆退 磁，使得电机的电磁性能变差，影响电机的运行，通过改进电机的永磁体腔结构，可以降低 磁场中的谐波含量，从而降低电机的定、转子铁耗，使得电机的效率提高，且降低永磁体发 生不可逆退磁的风险，提高电机运行的可靠性。
[0005] 目前对电机进行优化的方法分为全局优化设计方法及局部优化设计方法，全局优 化设计方法包括遗传算法、模拟退火方法和禁忌搜索等智能优化算法，全局优化设计方法 能将所有的不确定因素都包括在优化目标中，但具体目标函数的建立非常复杂，实现计算 所需的花费很大，计算时间很长；局部优化设计方法包括复合形法、单纯法、登山法等确定 性方法，这些局部性优化设计方法对于单目标优化有很好的收敛效果，却不能实现多目标 优化设计。而由日本著名质量管理学家Taguchi G博士于上世纪70年代创立的Taguchi 法是一种科学、有效的稳健性设计方法，其属于局部优化设计方法，但与上述提到的局部优 化设计方法所不同的是能够实现多目标优化设计，通过建立正交表，能在最少的试验次数 内搜索出多目标优化设计时的最佳组合。Taguchi法自提出以来，其在计算科学及工程应用 方面均取得长足进步，除此之外，在电机设计与控制领域，Taguchi法同样取得显著成效。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是，改进具有单层U型永磁体结构的内置式永磁电机的永磁体腔结 构，并对改进的结构进行优化设计，提供一种能够有效降低气隙磁场中的谐波分量，使得电 机的定、转子铁耗明显减小，使得电机的电磁转矩波动及齿槽转矩减小的内置式永磁电机。 本发明的技术方案如下：
[0007]-种能够有效减小电机铁耗的内置式永磁电机，采用单层U型永磁体结构，即具 有单层U型的永磁体腔结构，其特征在于，在U型永磁体腔两侧接近转子铁心表面的位置增 加三角形的永磁体腔拓展结构，并将相邻极间的永磁体腔进行连接。
[0008] 作为优选实施方式，以连接相邻极永磁体腔结构到U型永磁体两侧永磁体上层 边的距离、连接相邻极永磁体腔结构的厚度、三角形的永磁体腔拓展结构位于转子铁心中 的顶点到转子铁心圆心处的距离、永磁体腔拓展结构的顶点到圆心的线段与d轴之间的夹 角以及永磁体腔拓展结构的顶点所对边的距离作为优化变量；以电机的定子铁耗、转子铁 耗作为优化目标；以额定电磁转矩的减小量不超过优化前额定电磁转矩的5%作为约束条 件，利用Taguchi法对永磁体腔改进结构进行优化。
[0009] 本发明改进内置式永磁电机的永磁体腔结构，并提出利用Taguchi法对改进后的 结构进行优化，从而减小内置式永磁电机的定、转子铁耗且兼顾电机的电磁转矩不显著减 小。具有如下的有益效果：
[0010] 1、本发明改进了具有单层U型永磁体结构的内置式永磁电机的永磁体腔结构，改 进后的结构能够有效降低气隙磁场中的谐波分量，使得电机的定、转子铁耗明显减小，且优 化后的永磁体腔结构使得电机的电磁转矩波动及齿槽转矩明显减小，提升了电机运行的平 稳性；
[0011] 2、利用Taguchi法对永磁体腔改进结构进行优化，进而可以得到永磁体腔改进结 构的最终优化方案，使得电机的定、转子铁耗有大幅减小，同时使电机的额定电磁转矩没有 较大的下降。
【附图说明】
[0012] 图1改进永磁体腔结构前的内置式永磁电机转子结构图（"1"代表转子铁心；"2" 代表永磁体腔；"3"代表45#钢）。
[0013] 图2改进永磁体腔结构后的内置式永磁电机转子结构图（"I"代表永磁体腔拓展 结构；"II"代表连接相邻极永磁体腔的结构）。
[0014] 图3永磁体腔改进结构的优化变量示意图。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合实施例和附图对本发明做进一步详述。
[0016] 以一台内置式永磁电机为例来进行减小内置式永磁电机铁耗的永磁体腔结构稳 健性设计，电机的参数如表1所示。
[0017] 表1内转子电机参数
[0018]
[0019] (1)确定电机初始的永磁体腔结构，内置式永磁电机采用单层U型永磁体结构，即 具有单层U型的永磁体腔结构，如图1所示，图中"1"代表转子铁心，"2"代表永磁体腔，"3" 代表45#钢；
[0020] (2)确定Taguchi法为减小内置式永磁电机铁耗的永磁体腔结构稳健性设计的方 法；
[0021] (3)改进电机的永磁体腔结构，如图2所示，在U型永磁体腔结构中增加类似三角 形的永磁体腔拓展结构，如图2中的" I "所示，并将相邻极间的永磁体腔进行连接，如图2中 的" II "所示，通过改进可以有效减小磁场分布中的谐波含量，进而有效降低电机的铁耗；
[0022] (4)利用Taguchi法对永磁体腔改进结构进行优化，确定优化变量、优化目标及约 束条件。以连接相邻极永磁体腔的结构到U型永磁体两侧永磁体上层边的距离，如图3中 的"A"所示，连接相邻极永磁体腔的结构的厚度，如图3中的"B"所示，永磁体腔拓展结构 的顶点到圆心的距离，如图3中的"C"所示，永磁体腔拓展结构的顶点与圆心之间的线段与 d轴之间的夹角，如图3中的"D"所示，永磁体腔拓展结构的顶点所对边的距离，如图3中 的"E"所示，作为优化变量；以电机的定子铁耗、转子铁耗作为优化目标；以额定电磁转矩 的减小量不超过优化前额定电磁转矩的5%作为约束条件；
[0023] (5)优化变量的个数即为因素数，即因素数为5,选取各优化变量的水平数为4， 并根据电机的几何结构参数确定各优化变量的取值范围，进而确定各优化变量各水平的取 值，建立可控因素水平表，如表2所示。根据优化变量个数及各变量的水平数建立正交表 L 16 (45)，如表3所示；
[0024] 表2可控因素水平表
[0025]
[0028] (6)根据建立的正交表，分别在额定运行点、最大转矩运行点及弱磁运行点，对每 一组试验进行有限元分析，得到在各个运行点处各组试验所