一种磁链正弦化轴向磁通电机及其优化方法

本发明涉及永磁电机，尤其涉及一种磁链正弦化轴向磁通电机及其优化方法。

背景技术：

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

2、永磁同步电动机具有结构简单，高功率密度、高效率、高功率因数和高可靠性等特点，但是实际应用中的高品质永磁同步电动机所占比例并不大，现有结构建立的电机气隙磁场波形大多为非正弦波，其中存在大量高次谐波，对电动机的性能产生很大影响，从而使得电动机的铜耗、铁耗、杂耗增加，效率下降、温升升高，使得永磁同步电动机的节能优势无法体现。气隙磁场波形的非正弦还会产生脉振电磁转矩而引起转速振荡,影响运行稳定性和可靠性,这直接限制了永磁同步电动机的使用和推广。

3、永磁同步电动机由于永磁体形状的限制容易得到矩形波分布的气隙磁场波形，并且通过调节气隙中永磁体所跨的圆心角度可改变气隙磁场波形宽度。为了减小永磁同步电动机气隙磁通密度谐波，在电机本体优化方面，永磁电机磁极的削极(不等厚磁极)是最有效的方法之一，通过削极，优化转子永磁体或者转子铁心外表面极弧形状和长度，从而达到提高电机径向气隙磁通密度正弦度，减小气隙磁通密度谐波含量，抑制转矩波动，降低振动和噪声的目的。目前主要的削极方式包括：正弦削极、反余弦削极和偏心削极；这些削极方式均需要将永磁体单独加工成设定的形状，加工所面临的尺寸参数较多，对工艺要求较高。

4、另外，现有的电机斜极方案永磁体虽为正弦形状，但造成的气隙磁通密度并不完全正弦，造成的齿槽转矩和转矩脉动依旧相对较高，且正弦形状的磁极对永磁体的加工和充磁精度要求更高造成成本增加。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种磁链正弦化轴向磁通电机及其优化方法，通过正弦磁极设计，磁链正弦化电机能够有效地降低气隙磁密和反电动势谐波，使正弦度大大提高。

2、在一些实施方式中，采用如下技术方案：

3、一种磁链正弦化轴向磁通电机，包括：

4、电机定子，以及对称设置在电机定子两侧的电机转子；

5、所述电机转子端盘上均匀设置多个扇形的永磁体体单元，每一个永磁体单元包括烧结钕铁硼永磁体、粘结钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体，所述烧结钕铁硼永磁体、粘结钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体均为扇形，且根据剩磁不同依次排列组成正弦化磁极。

6、具体地，永磁体单元的永磁体排布具体为：最外层对称排布的铁氧体永磁体，次外层对称排布的粘结钕铁硼永磁体，以及最内层对称排布的烧结钕铁硼永磁体；各永磁体依次紧贴合成同一磁化方向正弦化磁极。

7、相邻永磁体单元的充磁方向相反。

8、在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

9、一种磁链正弦化轴向磁通电机的参数优化方法，包括：

10、将每一个永磁体单元中各个永磁体的扇形角度及厚度为优化变量，以平均转矩、转矩脉动、齿槽转矩和反电动势谐波率作为优化目标；

11、对优化变量进行拉丁超立方采样，根据拉丁超立方采样结果，对样本数据进行有限元求解，得到对应的平均转矩、转矩脉动、齿槽转矩和反电动势谐波率的值；

12、基于对优化变量的采样结果以及对应的优化目标值，使用克里金法找出优化变量与优化目标之间的关系，建立响应面模型；

13、采用粒子群算法对响应面模型进行优化，得到最优的永磁体扇形角度及厚度参数。

14、将得到的最优的永磁体扇形角度及厚度参数带入有限元模型中进行求解，将求解得到的平均转矩、转矩脉动、齿槽转矩和反电动势谐波率，与响应面模型得到的平均转矩、转矩脉动、齿槽转矩和反电动势谐波率值进行对比，对响应面模型进行性能校验。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

16、(1)本发明不同于削极需要对永磁体进行特殊加工，只需要对常用的扇形永磁体进行材料选型以及对扇形永磁体对应的扇形角进行加工，不需要额外的永磁切割和磁化工艺，加工便捷，更易工厂化生产，且气隙磁通密度完全正弦，转矩脉动和齿槽转矩更低，符合高性能电机设计需求。

17、(2)本发明的磁链正弦化轴向磁通电机，通过正弦磁极设计，磁链正弦化电机能够有效地降低气隙磁密和反电动势谐波，使正弦度大大提高，最小化齿槽转矩和转矩脉动；且消除谐波的同时减少了电机铁损，有助于电机保持高效率运行。同时，采用高磁导率、低损耗的铁氧体配合钕铁硼设计，对降低电机成本和损耗亦有显著作用。基于降低转矩脉动和永磁体材料成本的考虑，采用多种规格永磁体对表贴式永磁电机进行设计，无需特殊的永磁体成型工艺。

18、(3)本发明提出的基于磁链正弦化轴向磁通电机优化方案，通过克里格建模和粒子群算法相结合的全局多目标化优化方法可使气隙磁密波形趋向正弦化，有效降低谐波含量，在保证较高电磁转矩的同时降低齿槽转矩和转矩脉动；通过克里格建立代理模型可有效降低仿真计算时间，设计出的永磁电机能够明显提高定转子磁动势、气隙磁密和反电势的正弦性，显著降低齿槽转矩和转矩脉动并能够节约永磁体成本，有利于永磁电机的稳定运行和批量生产。

19、本发明的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。

技术特征：

1.一种磁链正弦化轴向磁通电机，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种磁链正弦化轴向磁通电机，其特征在于，每一个永磁体单元的永磁体排布具体为：最外层对称排布的铁氧体永磁体，次外层对称排布的粘结钕铁硼永磁体，以及最内层对称排布的烧结钕铁硼永磁体；各永磁体依次紧贴合成同一磁化方向正弦化磁极。

3.如权利要求1或2所述的一种磁链正弦化轴向磁通电机，其特征在于，相邻永磁体单元的充磁方向相反。

4.如权利要求1或2所述的一种磁链正弦化轴向磁通电机，其特征在于，将每一个永磁体单元中各个永磁体的扇形角度及厚度为优化变量，以平均转矩、转矩脉动、齿槽转矩和反电动势谐波率作为优化目标，建立优化模型，对优化模型进行优化，得到优化后的扇形角度及厚度参数。

5.如权利要求4所述的一种磁链正弦化轴向磁通电机，其特征在于，建立优化模型的过程为：

6.如权利要求4所述的一种磁链正弦化轴向磁通电机，其特征在于，建立的响应面模型具体为：

7.如权利要求4所述的一种磁链正弦化轴向磁通电机，其特征在于，将得到的最优的永磁体扇形角度及厚度参数带入有限元模型中进行求解，将求解得到的平均转矩、转矩脉动、齿槽转矩和反电动势谐波率，与响应面模型得到的平均转矩、转矩脉动、齿槽转矩和反电动势谐波率值进行对比，对响应面模型进行性能校验。

8.一种磁链正弦化轴向磁通电机的参数优化方法，其特征在于，包括：

9.如权利要求8所述的一种磁链正弦化轴向磁通电机的参数优化方法，其特征在于，建立的响应面模型具体为：

10.如权利要求8所述的一种磁链正弦化轴向磁通电机的参数优化方法，其特征在于，还包括：将得到的最优的永磁体扇形角度及厚度参数带入有限元模型中进行求解，将求解得到的平均转矩、转矩脉动、齿槽转矩和反电动势谐波率，与响应面模型得到的平均转矩、转矩脉动、齿槽转矩和反电动势谐波率值进行对比，对响应面模型进行性能校验。

技术总结
本发明公开了一种磁链正弦化轴向磁通电机及其优化方法，包括：电机定子，以及对称设置在电机定子两侧的电机转子；电机转子端盘上均匀设置多个扇形的永磁体体单元，每一个永磁体单元包括烧结钕铁硼永磁体、粘结钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体，所述烧结钕铁硼永磁体、粘结钕铁硼永磁体和铁氧体永磁体均为扇形，且根据剩磁不同依次排列组成正弦化磁极。本发明采用高磁导率、低损耗的铁氧体配合钕铁硼设计，对降低电机成本和损耗亦有显著作用。

技术研发人员：赵文良,刁成武,陈德志,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：2024/5/10