基于等厚气隙的永磁同步电机磁极结构优化方法及系统

本公开涉及永磁同步电机磁极优化，具体涉及基于等厚气隙的永磁同步电机磁极结构优化方法及系统。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、永磁同步电机具有高转矩密度、高功率因数、高可靠性、高效率等优点，目前已经广泛应用于航天、交通运输、医疗、国防等领域。

3、现有的表贴式永磁同步电机的转子通常采用没有经过削极处理的磁极，这种电机的磁极呈扇形，由该种磁极产生的气隙磁场谐波含量高，从而导致电机的齿槽转矩大和转矩脉动大，产生较大的振动和噪声，影响整机设备的控制精度和定位精度。

4、为了降低电机的齿槽转矩和转矩脉动，提高设备的控制精度，在现有技术中，已有偏心削极和正弦削极两种削极技术对表贴式永磁同步电机的磁极进行优化。其中，正弦削极是利用永磁体相对磁导率接近于空气的特性，将传统扇形磁极或者弓形磁极的上表面削减为正弦形状，以得到接近正弦的气隙磁通密度。此种结构可以明显地抑制电机的齿槽转矩和转矩波动，但是正弦形磁极结构会将过多的磁势消耗在气隙中，使永磁体的利用率低，造成气隙磁通密度基波幅值下降，导致输出的平均转矩下降，影响电机的转矩密度、运行效率。此外，现有技术中的正弦形磁极需要装配在转子表面上，磁极内表面与转子边缘都是纯圆弧或者都是直线，装配精度要求高，造成磁极装配难度大。

技术实现思路

1、本公开为了解决上述问题，提出了基于等厚气隙的永磁同步电机磁极结构优化方法及系统，通过对永磁同步电机的磁极内表面进行削极，在提高气隙磁通密度的正弦性的同时，还可以降低装配精度要求，便于磁极装配，减小电机的齿槽转矩和转矩脉动。

2、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

3、基于等厚气隙的永磁同步电机磁极结构优化方法，包括：

4、确定等厚气隙永磁同步电机的气隙磁通密度的理想变化趋势以及磁极厚度初始结构设计表达式；

5、考虑齿槽效应，建立气隙磁通密度随磁极厚度变化的变化方程，确定初始磁极厚度；对初始磁极厚度进行快速傅里叶分解，得到磁极厚度基波以及各奇次谐波的系数；

6、构建等厚气隙永磁同步电机的二维电磁仿真模型，将磁极厚度基波以及各奇次谐波的系数设置为二维电磁仿真模型磁极厚度的初始值，以磁极厚度基波以及各奇次谐波的系数作为优化变量，以转矩脉动最小和平均转矩最大为目标构建目标函数，使用多目标遗传算法对磁极厚度基波以及各奇次谐波的系数进行优化，确定最优磁极厚度。

7、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

8、基于等厚气隙的永磁同步电机磁极优化系统，包括：

9、初始化模块，用于确定等厚气隙永磁同步电机的气隙磁通密度的理想变化趋势以及磁极厚度初始结构设计表达式；

10、磁极优化模块，用于考虑齿槽效应，建立气隙磁通密度随磁极厚度变化的变化方程，确定初始磁极厚度；对初始磁极厚度进行快速傅里叶分解，得到磁极厚度基波以及各奇次谐波的系数；

11、优化求解模块，用于构建等厚气隙永磁同步电机的二维电磁仿真模型，将磁极厚度基波以及各奇次谐波的系数设置为二维电磁仿真模型磁极厚度的初始值，以磁极厚度基波以及各奇次谐波的系数作为优化变量，以转矩脉动最小和平均转矩最大为目标构建目标函数，使用多目标遗传算法对磁极厚度基波以及各奇次谐波的系数进行优化，确定最优磁极厚度。

12、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

13、一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现所述的基于等厚气隙的永磁同步电机磁极结构优化方法。

14、根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

15、一种电子设备，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现所述的基于等厚气隙的永磁同步电机磁极结构优化方法。

16、与现有技术相比，本公开的有益效果为：

17、本公开提出的一种基于等厚气隙的永磁同步电机磁极结构优化方法，考虑永磁体相对磁导率以及齿槽效应，利用解析分析和有限元分析结合的方法，在保证精确度的前提下可以节省时间，大大减少电机设计的工作量。

18、本发明所设计的磁极上顶面形状与电机转子的外表面贴合，形成的气隙在整个圆周空间内厚度相等，在提高气隙磁通密度的正弦性的同时，还可以降低装配精度要求，便于磁极装配，有利于减小电机的齿槽转矩和转矩脉动，使得采用该磁极的永磁同步电机具有功率密度高、运转平滑、振动噪声低等优点。

技术特征：

1.基于等厚气隙的永磁同步电机磁极结构优化方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的基于等厚气隙的永磁同步电机磁极结构优化方法，其特征在于，所述等厚气隙永磁同步电机的气隙磁通密度的理想变化趋势为正弦变化，将磁极厚度初始结构设计按照正弦变化进行设计，并根据正弦变化构建磁极厚度的初始结构设计表达式。

3.如权利要求1所述的基于等厚气隙的永磁同步电机磁极结构优化方法，其特征在于，考虑齿槽效应，确定等厚气隙永磁同步电机的齿槽效应影响因子表达式，并确定等厚气隙永磁同步电机的槽宽缩减因子表达式，得到等厚气隙永磁同步电机的初始磁极厚度表达式。

4.如权利要求1所述的基于等厚气隙的永磁同步电机磁极结构优化方法，其特征在于，磁极厚度各奇次谐波的系数分别为3、5、7、9、11次谐波的系数。

5.如权利要求1所述的基于等厚气隙的永磁同步电机磁极结构优化方法，其特征在于，永磁同步电机磁极的上顶面形状为与电机转子的外表面贴合的圆弧面，该圆弧面的半径大小由电机转子的半径大小确定，其与电机定子之间形成的气隙为等厚气隙，电机转子半径与磁极厚度之差即为极坐标系下磁极内表面曲线的表达式。

6.如权利要求1所述的基于等厚气隙的永磁同步电机磁极结构优化方法，其特征在于，磁极的充磁方式为径向充磁。

7.如权利要求1所述的基于等厚气隙的永磁同步电机磁极结构优化方法，其特征在于，利用多目标遗传算法解析磁极厚度并结合有限元进行矫正得到最优磁极厚度。

8.基于等厚气隙的永磁同步电机磁极优化系统，其特征在于，包括：

9.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，实现如权利要求1-7任一项所述的基于等厚气隙的永磁同步电机磁极结构优化方法。

10.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器以及计算机程序；其中，处理器与存储器连接，计算机程序被存储在存储器中，当电子设备运行时，所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序，以使电子设备执行实现如权利要求1-7任一项所述的基于等厚气隙的永磁同步电机磁极结构优化方法。

技术总结
本公开提供了基于等厚气隙的永磁同步电机磁极结构优化方法及系统，涉及永磁同步电机磁极优化技术领域，确定等厚气隙永磁同步电机的气隙磁通密度的理想变化趋势以及磁极厚度初始结构设计表达式；考虑齿槽效应，确定初始磁极厚度；对初始磁极厚度进行快速傅里叶分解，得到磁极厚度基波以及各奇次谐波的系数；构建等厚气隙永磁同步电机的二维电磁仿真模型，将磁极厚度基波以及各奇次谐波的系数设置为二维电磁仿真模型磁极厚度的初始值，以磁极厚度基波以及各奇次谐波的系数作为优化变量，以转矩脉动最小和平均转矩最大为目标构建目标函数，使用多目标遗传算法对磁极厚度基波以及各奇次谐波的系数进行优化，确定最优磁极厚度。

技术研发人员：赵文良,徐高扬,王宁,任岩,王秀和
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/22