带有通风槽的双磁通磁场调制电机及其参数优化方法 |
|||||||
| 申请号 | CN202311864231.2 | 申请日 | 2023-12-28 | 公开(公告)号 | CN117937875A | 公开(公告)日 | 2024-04-26 |
| 申请人 | 三峡大学; | 发明人 | 井立兵; 王涛; 闵泽宇; 沈曼如; 吴哲宇; 蒉张涛; 汤伟钊; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种带有通 风 槽的双磁通 磁场 调制 电机 及其参数优化方法，包括由外向内设置的外 定子 、外 转子 、调磁环以及内转子，外定子沿其内侧圆周分布若干定子槽，部分定子槽内设有绕组，其余定子槽中未缠绕绕组形成 通风 槽，外转子上设有外转子 永磁体 ，调磁环由导磁材料和非导磁材料组成，导磁材料和非导磁材料间隔设置，内转子永磁体贴在内转子上。该电机能够降低双磁通磁场调制电机运行时产生的损耗，提高其工作转矩，降低其转矩脉动，降低了双磁通磁场调制电机在运行的产生的 温度 ，提高了电机的使用寿命。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种带有通风槽的双磁通磁场调制电机，其特征在于，包括由外向内设置的外定子(1)、外转子(2)、调磁环(3)以及内转子(4)，外定子(1)沿其内侧圆周分布若干定子槽(101)，部分定子槽(101)内设有绕组(5)，其余定子槽(101)中未缠绕绕组(5)形成通风槽(102)，外转子(2)上设有外转子永磁体(7)，调磁环(3)由导磁材料(301)和非导磁材料(302)组成，导磁材料(301)和非导磁材料(302)间隔设置，内转子永磁体(6)贴在内转子(4)上。 |
||||||
| 说明书全文 | 带有通风槽的双磁通磁场调制电机及其参数优化方法技术领域背景技术[0002] 电机是一种广泛应用于农业、电力、交通运输和医疗等行业的主要机电能量转换装置。永磁电机由于其结构紧凑、高功率密度和高效率等优点，得到了快速发展。然而传统永磁电机需要配备齿轮箱运行，这导致了额外的损耗、噪声和可靠性问题。 [0003] 近年来，一类基于“磁齿轮效应”的新型永磁游标电机引起了广泛关注。通过引入磁通调制极，将磁齿轮电机定子齿作为磁齿轮电机中的调磁环，从而起到调制气隙磁导的作用。基于磁齿轮的场调制原理，将转速较低的转子水磁磁场调制成转速较高的定子气隙磁场，实现了“自增速”的效果。定子绕组可按高速旋转磁场进行设计，有助于解决大功率低速直驱电机极槽数较多的不足，从而提高电机的功率密度。 [0004] 双磁通磁场调制式电机也应运而生，其结合了永磁电机，游标电机，磁性齿轮三个结构，可以充分利用磁力线，起到减少漏磁的作用。然而，由于双磁通磁场调制式电机具有较高的功率密度，并且采用三层气隙结构，绕组散热面积较小，热负荷密度大，导致电机运行时散热比较困难。电机温度过高不仅会导致永磁体退磁，而且会加速绕组绝缘的老化，减少使用寿命。如果温度升的太快，会使绝缘碳化，失去绝缘作用，电机的绕组会短路而故障。因此，如何降低双磁通磁场调制电机的运行时的损耗及温度，延长电机的使用寿命以及提高双磁通磁场调制电机的转矩，降低转矩脉动等问题还需要继续努力。 发明内容[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种带有通风槽的双磁通磁场调制电机及其参数优化方法，降低双磁通磁场调制电机运行时产生的损耗，提高其工作转矩，降低其转矩脉动，降低了双磁通磁场调制电机在运行的产生的温度，提高了电机的使用寿命。 [0006] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种带有通风槽的双磁通磁场调制电机，包括由外向内设置的外定子、外转子、调磁环以及内转子，外定子沿其内侧圆周分布若干定子槽，部分定子槽内设有绕组，其余定子槽中未缠绕绕组形成通风槽，外转子上设有外转子永磁体，调磁环由导磁材料和非导磁材料组成，导磁材料和非导磁材料间隔设置，内转子永磁体贴在内转子上。 [0007] 优选的方案中，所述绕组的接线方式为单层绕组。 [0009] 优选的方案中，所述外转子永磁体充磁方式为Spoke充磁。 [0010] 优选的方案中，所述内转子永磁体充磁方式为Halbach阵列充磁。 [0011] 优选的方案中，所述内转子永磁体为偏心式永磁体，偏心式永磁体的半径为R2。 [0012] 优选的方案中，所述通风槽间隔设置，相邻通风槽之间分布的绕组的数量相等。 [0014] 步骤一、将电机的总损耗作为优化目标，将R2、L以及Rs作为变量进行优化设计； [0015] 步骤二、根据电机的特点和实际设计经验，合理确定每个优化参数的取值范围； [0016] 步骤三、对电机整体建立有限元模型，并对优化变量进行参数化，根据遗传算法对这些变量进行优化设计； [0017] 步骤四、判断优化后的变量是否达到优化的目标，如果达到优化目标，则输出优化结果，反之，重新选取优化变量进行优化，直到达到优化目标方能输出优化结果； [0018] 步骤五、确定电机的最终参数，并对其进行电磁特性分析。 [0019] 本发明提供的一种带有通风槽的双磁通磁场调制电机及其参数优化方法，具有以下有益效果： [0020] 1、本发明所提供的通风槽结构，可以降低双磁通磁场调制电机运行时的温度。结果表明和传统型双磁通磁场调制电机相比，本发明提供的双磁通磁场调制电机有效降低了双磁通磁场调制电机运行时产生的温度，降低了永磁体退磁的风险，提高了电机运行的稳定性。 [0021] 2、本发明所提供的单层绕组结构，可以减少接线的复杂程度，定子槽的利用率相对双层绕组高，并且可以防止发生相间击穿。 [0022] 3、内转子永磁体采用不均匀Halbach阵列充磁并采用偏心永磁体结构可以改善气隙磁密，提高永磁体的利用率，降低永磁体退磁的风险，增大双磁通磁场调制电机的输出转矩。 [0024] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明： [0025] 图1为本发明带有通风槽的双磁通磁场调制电机结构示意图； [0026] 图2为本发明实施提供内转子偏心永磁体的局部示意图； [0027] 图3为改进后的绕组的接线图； [0028] 图4为遗传算法优化流程图； [0029] 图5为本发明实施提供的内层气隙径向磁密对比图； [0030] 图6为本发明实施提供的外层气隙径向磁密对比图； [0031] 图7为本发明实施提供的空载反电动势波形比较图； [0032] 图8为本发明实施提供的空载反电动势傅里叶分析比较图； [0033] 图9为本发明实施提供的输出转矩比较图； [0034] 图10为本发明实施提供的铜耗比较图； [0035] 图11为本发明实施提供的涡流损耗比较图； [0037] 图13为本发明实施提供的温度场比较图； [0038] 图14为永磁体NdFeB的退磁曲线； [0039] 图中：外定子1，外转子2，调磁环3，内转子4，绕组5，内转子永磁体6，外转子永磁体7，定子槽101，通风槽102，导磁材料301，非导磁材料302。 具体实施方式[0040] 结合图1～图14对本发明具体实施方式进一步详细说明。 [0041] 一种带有通风槽的双磁通磁场调制电机，如图1所示，包括由外向内设置的外定子1、外转子2、调磁环3以及内转子4，外定子1沿其内侧圆周分布若干定子槽101，部分定子槽 101内设有绕组5，其余定子槽101中未缠绕绕组5形成通风槽102，起到通风散热的作用。通风槽102为U型槽，可以起到磁场调制的作用。 [0042] 如图3所示，所述绕组5的接线方式为单层绕组，可以有效提高槽口的利用率，防止相间击穿。 [0043] 外转子2上设有外转子永磁体7，外转子永磁体7充磁方式为Spoke充磁。 [0044] 调磁环3由导磁材料301和非导磁材料302组成，导磁材料301和非导磁材料302间隔设置，内转子永磁体6贴在内转子4上，其充磁方式为Halbach阵列充磁，每6块构成一对极，充磁角度为60度。 [0045] 优选的，所述内转子永磁体6两侧设有偏心式永磁体，可以降低永磁体退磁的风险。 [0046] 在本实施例中，所述通风槽102间隔设置，相邻通风槽102之间分布的绕组5的数量相等。 [0047] 在改进后的双磁通磁场调制电机中，空间谐波通量密度分布的极对数pj,k,m为： [0048] pj,k,m＝|jpi+knp+mpo| [0049] 式中，k、m＝0，±1，±2，…，∞；j＝1，3，5，…，∞；pi是内永磁体的极对数，np是磁通调制器的极对数，po是外转子永磁体的极对数。 [0050] 空间谐波的相应转速可以表示为： [0051] [0052] 式中，ωr为内转子永磁体的转速；ωp是磁通调制器的转速；ωs是外转子永磁体的转速。 [0053] 根据双磁通磁场调制电机的工作原理，内转子和外转子的极对需要满足以下关系： [0054] po+pi＝np [0055] 为探究本发明所提供的双磁通磁场调制电机在降低运行的损耗，降低运行时的温度以及提升转矩，降低转矩脉动方面的作用，以内转子永磁体6为四对极，外转子永磁体7为二十三对极的双磁通磁场调制电机为例，在保证基本参数相同的情况下建立了传统模型和改进后的双磁通磁场调制电机模型，改进后双磁通磁场调制电机的结构参数如表1所示： [0056] 表1双磁通磁场调制电机的主要参数 [0057] [0058] [0059] 图2为改进后的内转子永磁体的拓扑图。内转子永磁体6采用Halbach阵列，并采用不均匀气隙结构，可以改善气隙磁密，降低永磁体退磁的风险，降低运行时产生的损耗。 [0060] 图3为改进后的绕组的接线图。其中第9，18，27槽为通风槽102。绕组线圈少，工艺比较简单；没有层间绝缘，槽的利用率相对双层绕组高，不会发生相间击穿故障等。 [0061] 图4为遗传算法优化的流程图。为了优化所提出的双磁通磁场调制电机的总损耗，采用遗传算法对内转子永磁体的半径R2、定子槽的槽口宽度L以及定子槽的倒角半径Rs进行优化，根据电机的特点和实际设计经验，合理确定每个优化参数的取值范围，并对其进行优化。 [0062] 操作步骤如下： [0063] 步骤一、将电机的总损耗作为优化目标，将R2、L以及Rs作为变量进行优化设计。 [0064] 步骤二、根据电机的特点和实际设计经验，合理确定每个优化参数的取值范围，以确保电机在设计的过程中始终满足需求。 [0065] 步骤三、对电机整体建立有限元模型，并对优化变量进行参数化，根据遗传算法对这些变量进行优化设计。 [0066] 步骤四、判断优化后的变量是否达到优化的目标，如果达到优化目标，则输出优化结果，反之，重新选取优化变量进行优化，直到达到优化目标方能输出优化结果。 [0067] 步骤五、确定电机的最终参数，并对其进行电磁特性分析。 [0068] 优化前后电机的结构参数如表2所示： [0069] 表2优化结果 [0070] [0071] 如图5至图6所示，由于Halbach阵列的自屏蔽性，改进后双磁通磁场调制电机内层气隙的径向磁密变得更加正弦，可以有效的减少内转子铁轭的用量。虽然改进后的双磁通磁场调制电机内转子永磁体的用量减少了，但磁密基本保持不变。根据磁场调制理论，极数分别为4、23、31、50、58次等谐波分量为工作谐波，12、15、39、42和68次等谐波为非工作谐波。这些谐波分量的减少有利于降低电机运行时产生的损耗，提高电机运行的稳定性。 [0072] 如图7至图8所示，给出双磁通磁场调制电机的反电动势以及傅里叶分解频谱图。从图中可以看出，改进后的双磁通磁场调制电机的空载反电势幅度大于传统双磁通磁场调制电机的反电势幅度。这是由于绕组的利用率得到了提升，因此反电动势也得到了提高。 [0073] 电磁转矩是衡量双磁通磁场调制电机运行能力的重要参数。根据麦克斯韦应力张量法，电磁转矩Tem的表达式如下： [0074] [0075] 式中，Lef为双磁通磁场调制电机的轴向长度，Re为气隙中半径的圆，μ0为真空的磁导率，Br和Bt分别为径向和切向磁通密度。 [0076] 如图9所示，给出了改进前后双磁通磁场调制电机的输出转矩。改进后的双磁通磁场调制电机外转子平均输出转矩由422.24·m提高到了439.16N·m。与传统双磁通磁场调制电机相比，转矩增加了16.92N·m。 [0077] 如图10至图12所示，给出了改进前后双磁通磁场调制电机的损耗比较图。从图中可以看出，改进后的双磁通磁场调制电机总体损耗相比传统降低了19.52W。这些损耗的降低得益于对电机拓扑的改进，以及运用遗传算法对其进行优化。当损耗降低时可以有效的降低电机运行时的温度，提高电机运行的稳定性。 [0078] 如图13所示，给出了改进前后双磁通磁场调制电机的温度场比较图。从图中可以观察到，与传统电机相比，改进后的电机的温度降低了5℃。这是因为通风槽102和内转子永磁体6采用偏心式结构，可以有效地减少电机在运行过程中产生的热量，从而降低电机运行过程中因为温度过高导致永磁体退磁的风险，进一步提高了电机运行的稳定性。 [0079] 图14显示了永磁体NdFeB的退磁曲线图。从图中可以看出，永磁体NdFeB的退磁拐点在100℃左右，而改进后电机的永磁体运行时温度在50℃左右，远低于这个值。这表明改进后的双磁通磁场调制电机的能够有效的降低电机运行时产生的温度，降低永磁体退磁的风险。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈