一种高功率密度双定子永磁同步电机优化设计方法与流程

1.本发明涉及了一种永磁同步电机优化设计方法，具体涉及一种高功率密度双定子永磁同步电机优化设计方法。


背景技术：

2.随着永磁材料的不断发展，永磁同步电机的应用领域不断扩大。与传统的电励磁电机相比，稀土永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积较小、效率高及形状灵活多样等显著特点。然而，在一些应用领域中，电机放置空间越来越有限，高功率密度成为永磁电机的开发热点。双定子永磁同步电机因其内部空间利用率高、在给定体积下可以输出更高的转矩这一优势，在高功率密度电机中得以广泛应用。
3.双定子永磁同步电机由于其转子磁路拓扑结构复杂多样。为了在特定体积下提高电机的功率密度，可在相同定子外径下比较不同的转子磁路拓扑结构双定子永磁同步电机的空载特性及负载特性，确定其功率密度较高的转子磁路拓扑结构。此外极弧系数及定子裂比对电机的电磁性能有一定的影响，可以进一步提高功率密度。
4.然而永磁同步电机存在转矩波动较大的问题，双定子永磁同步电机的转矩波动由其内电机和外电机组成，使得电机转矩波动较大，不利于电机的平稳运行。转矩波动包括由定子齿槽引起磁导变化所产生的齿槽转矩，以及定子磁场和转子磁场相互作用所产生的纹波转矩。


技术实现要素：

5.为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种高功率密度双定子永磁同步电机优化设计方法，设计了一种用于高功率密度双定子永磁同步电机的转子磁路拓扑结构，该结构在不改变电机定子外径情况下，可以增大电机功率密度。同时设计了一种不等极弧系数磁极结构，通过减小齿槽转矩降低电机的转矩波动，保证电机的平稳运行。
6.本发明采用的技术方案是：
7.本发明双定子永磁同步电机优化设计方法包括如下步骤：
8.步骤1)：确定双定子永磁同步电机的定子外径和转子的内外两层转子磁路拓扑结构，获得第一改进双定子永磁同步电机。
9.步骤2)：驱动第一改进双定子永磁同步电机运行，改变第一改进双定子永磁同步电机的极弧系数和外电机的定子裂比，在不同的极弧系数和外电机的定子裂比下，根据第一改进双定子永磁同步电机的电机平均转矩、转矩波动以及电机效率确定最终的极弧系数和外电机的定子裂比，获得第二改进双定子永磁同步电机。
10.步骤3)：驱动第二改进双定子永磁同步电机运行，保持第二改进双定子永磁同步电机的永磁体总的用量不变，改变转子上的n和s磁极的极弧系数比值，在不同的转子上的n和s磁极的极弧系数比值下，根据第二改进双定子永磁同步电机的齿槽转矩、转矩波动和电机平均转矩的变化量确定最终的极弧系数比值，最终获得高功率密度双定子永磁同步电
机。
11.所述的步骤1)中，将双定子永磁同步电机的定子外径设计为与单定子内置式永磁同步电机的定子外径相同。
12.所述的步骤1)中，将双定子永磁同步电机的转子的内层转子磁路拓扑结构设计为表贴式串联型转子磁路拓扑结构，将外层转子磁路拓扑结构设计为表贴式串联型转子磁路结构。
13.所述的步骤2)中，在不同的极弧系数和外电机的定子裂比下，根据第一改进双定子永磁同步电机的电机平均转矩、转矩波动以及电机效率确定最终的极弧系数和外电机的定子裂比，具体如下：
14.2.1)改变第一改进双定子永磁同步电机的极弧系数，当第一改进双定子永磁同步电机的平均转矩较高、电机效率较高以及转矩波动较低时，选取此时的极弧系数作为最终的极弧系数。
15.2.2)改变第一改进双定子永磁同步电机的外电机的定子裂比，此时内电机外径随之发生改变；当第一改进双定子永磁同步电机的平均转矩较高、电机效率较高以及转矩波动较低时，选取此时的外电机的定子裂比作为最终的外电机的定子裂比，从而获得第二改进双定子永磁同步电机。
16.所述的步骤3)中，改变第二改进双定子永磁同步电机的转子上的n和s磁极的极弧系数比值，具体为改变第二改进双定子永磁同步电机的转子外侧永磁体的n和s磁极的极弧系数比值或分别改变转子内、外侧永磁体的n和s磁极的极弧系数比值。
17.所述的步骤3)中，在不同的转子上的n和s磁极的极弧系数比值下，根据第二改进双定子永磁同步电机的齿槽转矩、转矩波动和电机平均转矩的变化量确定最终的极弧系数比值，具体如下：
18.改变第二改进双定子永磁同步电机的转子上的n和s磁极的极弧系数比值，当第二改进双定子永磁同步电机的齿槽转矩较低、转矩波动较低同时电机平均转矩的变化量较小时，选取此时的转子上的n和s磁极的极弧系数比值作为最终的转子上的n和s磁极的极弧系数比值，最终获得高功率密度双定子永磁同步电机。
19.本发明的有益效果是：
20.本发明设计了双定子永磁同步电机转子磁路拓扑结构，设计了具有较高功率密度的表贴式转子串联磁路双定子永磁同步电机，并对改进后的转子磁路拓扑结构进行极弧系数及定子裂比优化，使电机获取较高功率密度。同时，针对转矩波动较大的问题，提出不等极弧系数磁极结构，通过降低齿槽转矩来降低转矩波动，得到具有低转矩波动的高功率密度双定子永磁同步电机。
附图说明
21.图1为单定子永磁同步电机结构示意图；
22.图2为八种双定子永磁同步电机的转子磁路拓扑结构图；
23.图3的(a)为双定子永磁同步电机的齿槽转矩对比图；
24.图3的(b)为双定子永磁同步电机的平均转矩对比图；
25.图4为双定子永磁同步电机输出特性随极弧系数α
pm
变化图；
26.图5为双定子永磁同步电机输出特性随定子裂比kd变化图；
27.图6的(a)为不等极弧系数磁极改进前结构的示意图；
28.图6的(b)为不等极弧系数磁极改进后结构的示意图；
29.图7的(a)为电机iii输出特性齿槽转矩随不等极弧系数z值变化图；
30.图7的(b)为电机iii输出特性平均转矩随不等极弧系数z值变化图；
31.图7的(c)为电机iii输出特性转矩波动随不等极弧系数z值变化图；
32.图7的(d)为电机iii输出特性不平衡磁拉力随不等极弧系数z值变化图；
33.图8为电机优化前后转矩对比图。
具体实施方式
34.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
35.本发明双定子永磁同步电机优化设计方法包括如下步骤：
36.步骤1)：确定双定子永磁同步电机的定子外径和转子的内外两层转子磁路拓扑结构，获得第一改进双定子永磁同步电机。
37.步骤1)中，将双定子永磁同步电机的定子外径设计为与单定子内置式永磁同步电机的定子外径相同。
38.步骤1)中，将双定子永磁同步电机的转子的内层转子磁路拓扑结构设计为表贴式串联型转子磁路拓扑结构，将外层转子磁路拓扑结构设计为表贴式串联型转子磁路结构。
39.步骤2)：驱动第一改进双定子永磁同步电机运行，改变第一改进双定子永磁同步电机的极弧系数和外电机的定子裂比，在不同的极弧系数和外电机的定子裂比下，根据第一改进双定子永磁同步电机的电机平均转矩、转矩波动以及电机效率确定最终的极弧系数和外电机的定子裂比，获得第二改进双定子永磁同步电机。
40.步骤2)中，在不同的极弧系数和外电机的定子裂比下，根据第一改进双定子永磁同步电机的电机平均转矩、转矩波动以及电机效率确定最终的极弧系数和外电机的定子裂比，具体如下：
41.2.1)改变第一改进双定子永磁同步电机的极弧系数，当第一改进双定子永磁同步电机的平均转矩较高、电机效率较高以及转矩波动较低时，选取此时的极弧系数作为最终的极弧系数。
42.2.2)改变第一改进双定子永磁同步电机的外电机的定子裂比，此时内电机外径随之发生改变；当第一改进双定子永磁同步电机的平均转矩较高、电机效率较高以及转矩波动较低时，选取此时的外电机的定子裂比作为最终的外电机的定子裂比，从而获得第二改进双定子永磁同步电机。
43.步骤3)：驱动第二改进双定子永磁同步电机运行，保持第二改进双定子永磁同步电机的永磁体总的用量不变，改变转子上的n和s磁极的极弧系数比值，在不同的转子上的n和s磁极的极弧系数比值下，根据第二改进双定子永磁同步电机的齿槽转矩、转矩波动和电机平均转矩的变化量确定最终的极弧系数比值，最终获得高功率密度双定子永磁同步电机。
44.步骤3)中，改变第二改进双定子永磁同步电机的转子上的n和s磁极的极弧系数比值，具体为改变第二改进双定子永磁同步电机的转子外侧永磁体的n和s磁极的极弧系数比
值或分别改变转子内、外侧永磁体的n和s磁极的极弧系数比值。
45.步骤3)中，在不同的转子上的n和s磁极的极弧系数比值下，根据第二改进双定子永磁同步电机的齿槽转矩、转矩波动和电机平均转矩的变化量确定最终的极弧系数比值，具体如下：
46.改变第二改进双定子永磁同步电机的转子上的n和s磁极的极弧系数比值，当第二改进双定子永磁同步电机的齿槽转矩较低、转矩波动较低同时电机平均转矩的变化量较小时，选取此时的转子上的n和s磁极的极弧系数比值作为最终的转子上的n和s磁极的极弧系数比值，最终获得高功率密度双定子永磁同步电机。
47.本发明的具体实施例如下：
48.下面以一台单定子8极48槽内置式永磁同步电机为参考，对本发明的实施方式进行详细说明，单定子内置式永磁同步电机的初始结构如图1所示，电机的参数如表1所示。
49.表1单定子ipmsm参数
50.参数符号数值单位额定转速nn3000r/min额定转矩tn64nm极对数p4
‑‑
槽数q48
‑‑
定子外径do200mm定子内径di130mm气隙长度δ1mm铁心长度l140mm额定电流i93.5a额定功率pn20kw
51.步骤1)：确定双定子永磁同步电机的定子外径，然后确定转子的内外两层转子磁路拓扑结构；在确定双定子永磁同步电机的转子磁路拓扑结构前，首先选取了八种双定子永磁同步电机的转子磁路拓扑结构，如图2所示，八种双定子永磁同步电机的转子磁路拓扑结构具体为：电机ⅰ：“u”型串联型转子磁路结构；电机ⅱ：“v”型+表贴式串联型转子磁路结构；电机iii：表贴式+表贴式串联型转子磁路结构；电机iv：内嵌式+内嵌式串联型转子磁路结构；电机v：“u”型+表贴式并联型转子磁路结构；电机vii：轮辐式并联型转子磁路结构；电机vi：表贴式+表贴式并联型转子磁路结构；电机viii：内嵌式+内嵌式并联型转子磁路结构。
52.对八种转子磁路拓扑结构的双定子永磁同步电机进行空载及负载特性分析，确定功率密度较大的转子磁路拓扑结构，具体操作步骤如下：
53.保持电机定子内、外径不变，转子改为杯型结构，内部增加一个内定子结构；对八种转子磁路拓扑结构的双定子永磁同步电机进行设计分析，其中，前四种电机使用串联磁路结构，后四种电机使用并联磁路结构。电机具体参数如表2所示：
54.表2双定子永磁同步电机基本参数
[0055][0056][0057]
对八种转子磁路拓扑结构的双定子永磁同步电机进行空载及负载分析，得到其齿槽转矩与平均转矩对比如图3的(a)和(b)所示。不同转子磁路拓扑结构双定子永磁同步电机的性能对比如表3所示，由表中可以看出电机效率变化很小。而电机iii的平均转矩提升最大，为t＝86.9nm，相比于单定子内置式永磁同步电机，转矩提高了35.8％，故选取电机iii对应的转子磁路拓扑结构，获得第一改进双定子永磁同步电机。
[0058]
表3不同转子磁路拓扑结构ds-pmsm性能对比
[0059][0060]
步骤2)：对选择的电机iii进行极弧系数及定子裂比优化，进一步提高功率密度，具体操作步骤如下：
[0061]
2.1)永磁同步电机的输出转矩与气隙磁密幅值成正比，改变转子磁极的极弧系数，电机气隙磁密幅值也会随之改变，故改变极弧系数对其输出转矩有一定的影响。
[0062]
对于极弧系数α
p
的定义为：
[0063][0064]
其中，α
pm
为一个极距下永磁体所占的角度，τ为极距所占的角度。
[0065]
改变极弧系数α
p
，电机输出特性与极弧系数的关系如图4所示。为了获取较高功率密度，同时考虑极弧系数增大对电机的转矩波动和效率的影响，电机iii选取α
p
＝0.95。此时平均转矩为89.8nm，较单定子内置式永磁同步电机提升了40.3％。
[0066]
2.2)双定子永磁同步电机的转矩可以看作内、外电机电磁转矩之和，其内、外电机的裂比直接影响其输出转矩。定义双定子永磁同步电机的内外定子的内、外径尺寸计算公式为：
[0067][0068]di2-out
＝d
i1-in-2(h
jr
+h
m-in
+h
m-out
+g1+g2)
[0069]
其中，kd为外电机定子裂比，d
i1-out
为外定子外径，d
i1-in
为外定子内径；d
i2-out
为内定子外径，h
jr
为转子轭厚度，h
m-in
和h
m-out
分别为转子内、外侧永磁体的厚度，g1和g2分别为转子内、外侧气隙长度。
[0070]
推导出ds-pmsm的电磁转矩与定子裂比关系式t
total
为：
[0071][0072]
其中，q为定子槽数；a为并联支路数；kw为绕组系数；l
fe
为铁心长度；n
s1
与n
s2
分别为外电机与内电机的每槽导体数；i1与i2分别为外电机和内电机的相电流有效值；b
δ1
与b
δ2
分别为外电机和内电机的气隙磁密基波幅值；h为h
jr
、h
m-in
、h
m-out
、g1和g2之和。
[0073]
由上式可知，外电机定子裂比kd影响双定子永磁同步电机的输出转矩。保持电机的外电机定子外径不变，改变外电机定子裂比，内电机定子裂比随之改变。如图5所示，为双定子永磁同步电机在不同的外定子裂比下电机电磁性能变化曲线。在外定子裂比kd＝0.75时，电机可以获得较大的转矩，为t＝104.4nm，转矩波动为7.6％。但此时电机的转矩波动较大，需要进一步减小。
[0074]
步骤3)：利用转子磁极不等极弧系数结构对电机进行优化分析，具体操作步骤如下：
[0075]
3.1)传统永磁同步电机的转子磁极结构与提出的不等极弧系数磁极结构如图6的(a)和(b)所示。不等极弧系数的转子磁极结构每对极下的n、s磁极对应的极弧角度满足以下条件：
[0076][0077]
θb＝zθa[0078]
其中，θa与θb分别为每对极下pm1与pm2对应的极弧角度；α
p
为极弧系数；p为极对数；z为极弧比；当z＝1时，各磁块极弧系数相同，为传统表贴式磁极结构。当z≠1时，为不等极弧系数磁极结构。
[0079]
3.2)将改变双定子外部单层磁体不等极弧比z的双定子永磁同步电机命名为电机iii-1，改变内、外双层磁体极弧比z的双定子永磁同步电机命名为电机iii-2，对其进行仿真对比分析。
[0080]
利用有限元软件分析双定子永磁同步电机在不同z值下的输出特性如图7的(a)、(b)、(c)和(d)所示。电机iii-1在z＝0.8时齿槽转矩值最小，对应转矩波动值最低，为2.6％；电机iii-2在z＝1.6时齿槽转矩值最小，对应转矩波动值最低，为2.2％。当z＝0.9时，电机iii-1转矩波动为3.7％，平均转矩为103.4nm；电机iii-2转矩波动为3.2％，平均转
矩为103.8nm；电机不同z值下不平衡磁拉力变化曲线如图7的(d)所示，可以看出电机不平衡磁拉力整体在6n上下波动变化，影响不大。考虑对电机转矩及功率密度的影响，选取不等极弧系数比z＝0.9合适。如表4所示为电机iii在z＝0.9时转子磁极优化前后的输出特性对比。
[0081]
表4电机iii转子磁极结构优化前后输出特性对比
[0082][0083]
3.3)在上述步骤的基础上得到了最终设计的高功率密度双定子永磁同步电机，将其与优化前电机iii及初始单定子永磁同步电机进行有限元仿真对比，结果如图8所示。结果显示该电机转矩较单定子内置式永磁同步电机提高了62.2％，转矩波动较电机iii下降了57.9％。该电机的功率密度明显得到提高，而转矩波动明显降低，使电机的运行更加平稳。