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开关磁阻电机的性能分析及其优化设计方法研究

李洁  
【摘要】:开关磁阻电机的定子和转子为双凸极结构,采用开关形式的供电电源,电机运行时的电磁场内呈现非线性饱和特性,其性能分析和设计方法与传统电机有很大差别,并且电机运行时振动噪声偏大,是影响开关磁阻电机广泛应用的主要羁绊。本文以开关磁阻电机的分析和优化设计为主题展开理论分析、仿真分析和实验研究,主要内容如下: 开关磁阻电机的电磁设计是电机设计的基础,也是电机优化设计的根本出发点。本文分析了开关磁阻电机的电磁设计方法,对电机各部分结构参数的选择和确定进行了详细论述。依据开关磁阻电机的电磁设计方法,进行了样机的设计,在有限元分析软件环境下建立了电机的模型,针对电机单相绕组励磁、两相绕组励磁的工作方式,对电机的磁场分布、静态特性、动态特性进行了仿真分析,对具有不同绕组结构的开关磁阻电机进行了性能的仿真分析和对比。 减小开关磁阻电机的振动和噪声是电机优化设计的首要任务。本文对开关磁阻电机的噪声来源及降噪措施进行了综述,针对在电磁设计阶段,有利于降噪的结构参数优选方法进行了深入的分析。基于虚功原理和虚位移法对电机磁场力进行了分解,引入了广义坐标变量将磁场储能表示为磁链和广义坐标变量的函数,通过选取不同的广义坐标变量将磁场力分解,得到磁场力的分力解析表达式;基于能量守恒原理对定子振动固有频率进行了解析分析,得到定子固有频率的解析表达式。进而萃取得到影响电机振动的主要结构参数,对主要结构参数进行了设计极限取值范围内的参数化仿真分析,总结出影响电机振动噪声的主要结构参数优选原则,同时为进一步的电机优化设计奠定了基础。 本文对开关磁阻电机优化设计的研究具体分为两个方面的内容。 提出开关磁阻电机的模糊优化设计方法,针对开关磁阻电机优化过程中存在不明确信息以及矛盾规划的问题,分别建立了具有模糊约束条件、模糊目标函数的开关磁阻电机优化设计模型。对具有模糊约束条件的开关磁阻电机优化设计模型,充分考虑了有模糊性质的约束条件允许范围边界的过渡性,建立了允许区间的隶属函数,通过扩增系数法和二级模糊综合评判求解得到最优水平截集,将模糊优化模型转化为最优水平截集上的常规优化模型,采用遗传算法进行了求解;对具有模糊目标函数的开关磁阻电机优化设计模型,建立单目标函数的模糊目标集函数,加权合成各单目标隶属函数得到综合目标隶属函数,进行综合目标隶属函数最大化的求解,将模糊优化模型转化为最大满意度上的常规优化模型,采用遗传算法进行了求解。基于以上两种模型进行了样机的优化设计,对优化结果的分析表明,考虑模糊因素对开关磁阻电机进行优化设计更具合理性。 对开关磁阻电机的转子结构进行了优化设计,提出一种开关磁阻电机的转子结构,在常规结构型式的开关磁阻电机基础上,于转子凸极与转子轴中心的径向直线上,设置无填充物的圆孔。利用空气磁导率小于铁芯磁导率的原理,减小定子、转子凸极处于对齐位置时的磁链大小,进而改善径向磁力的分布,达到缓解定子机壳形变,降低电机噪声的目的。推导了转子优化结构的磁阻方程,进行了电机磁场分布的仿真。分别在开关磁阻电机单相绕组励磁、两相绕组励磁的工作方式下,对决定电机优化结构的两个参数:孔径、孔心距进行了参数化仿真分析,对优化设计的电机进行了径向力和输出转矩的仿真分析。依据上述理论分析和仿真分析结果,对样机进行了优化设计,并进行了实验研究。实验结果证明了样机在输出特性、振动噪声等方面的性能均达到了良好的效果。


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