永磁同步電機之通過電磁場數(shù)值計算進行永磁電機磁路結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的優(yōu)化

在永磁電機特別是稀土永磁電機中，電機的價格很大程度上決定于永磁材料的用量。優(yōu)化磁極幾何形狀或磁極結(jié)構(gòu)尺寸對降低稀土水磁電機的成本有重要作用，目前電磁場逆問題也主要用于解決這兩方面的問題。通?？蛇x水磁體體積為目標函數(shù)，而將水磁體結(jié)構(gòu)尺寸及有關(guān)變量作為設(shè)計變量。在約束條件中．除了將電機的外形尺寸等作為約束條件外，一般將性能指標作為約束條件，以保證降低成本而電機的勝能又不至于變壞。此外，在利

用電磁場計算進行電機優(yōu)化設(shè)計時，局部失磁問題也應(yīng)作為一個約束條件考慮。

4. 2 . 1磁極局部幾勺形狀優(yōu)化問題

在水磁電機的設(shè)計中，常常需要通過優(yōu)化設(shè)計得到合理的磁極結(jié)構(gòu)與尺寸。例如對于水磁直流電動機，為了改善技術(shù)勝能并節(jié)約永磁材料，可將瓦片形磁極改為組合磁極結(jié)構(gòu)（請參見圖58 )，即在水磁體旁附加一塊軟鐵，利用負載時電樞反應(yīng)的增磁作用，增大主磁通為不增大電機的體積，定子扼部及其他尺寸如電機定、轉(zhuǎn)子內(nèi)、外徑等保持不變，只改變磁極結(jié)構(gòu)， 如圖4一16所示以水磁體體積v．為日標函數(shù)，磁極極弧系數(shù)。軟鐵極弧系數(shù)。：及軟鐵與水磁體間的距離。為優(yōu)化變量，在盡量減少水磁體用量的同時，必須保證不發(fā)生局部失磁，同時額定轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩要保證大于要求值，空載轉(zhuǎn)速大于一定值。其數(shù)學模型為。

    利用一定的優(yōu)化方法產(chǎn)生設(shè)計點，通過電磁場數(shù)值計算求該設(shè)計點下電機的性能指標，然后根據(jù)其滿足約束條件的情況決定對設(shè)計點的取舍。經(jīng)過一定次數(shù)的迭代，可得到問題的最優(yōu)解

4.2.2電機的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化問題

對于一定結(jié)構(gòu)的永磁電機，可以通過優(yōu)化計算得到更為合理的結(jié)構(gòu)尺寸。例如，盤式直流電機的有效氣隙較大，永磁體用量較大，為降低成本，在設(shè)計時應(yīng)盡量減少永磁材料的用量。如在原有樣機的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，可選水磁材料體積最小作為日標函數(shù)。為簡化起見，令電樞繞組的線規(guī)及厚度等不變，只要保證主磁通大于一定值，急長度和外徑不大于要求值即可。相應(yīng)的數(shù)學模型為。結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化問題同樣需要通過一定的優(yōu)化方法產(chǎn)生設(shè)計點，通過電磁場分析求得電機在某一設(shè)計下的性能，經(jīng)過反復迭代計算找到問題的最優(yōu)解

5永磁電機的瞬態(tài)電磁場計算

隨著永磁電機的發(fā)展，提出了計算水磁電機瞬態(tài)參數(shù)的要求，同時也需要用瞬態(tài)場計算解決水磁電機設(shè)計和運行中的一些特殊問題，如異步起動永磁同步電動機的起動性能等。計算瞬態(tài)電磁場的場路藕合法是近年來發(fā)展起來的，它把外電路方程和有限元方程聯(lián)立起來，直接把電機的端電壓作為已知量，省去了繁瑣的電流迭代過程，通過考慮電機的端部進行修正，提高了二維場計算的精度。本節(jié)以水磁同步電動機為例，介紹水磁電機瞬態(tài)場計算的場路禍合法，并推導出計算公式。

5 . 1瞬態(tài)電磁場基本方程

對于永磁同步電動機，為了簡化計算，做以下假設(shè)和處理：

l）忽略位移電流，即電磁場是似穩(wěn)場；

2）電樞部分磁場做二維分布，端部效應(yīng)由電機繞組的電路方程中常值端部漏電感計入

3）材料為各向同性，忽略鐵磁材料的磁滯效應(yīng)；

4）水磁材料用等效面電流模擬；

5）忽略電導率。和磁導率產(chǎn)的溫度效應(yīng)，它們僅為空間函數(shù)；

6）定、轉(zhuǎn)子疊片鐵心和源甩流區(qū)渦流忽略不計；

7）磁場沿周向周期生分布，取一個極范圍為求解域，如圖413所示。用磁矢位月描述場，瞬變電磁場的定解問題可以表達為。