永磁同步電機(jī)之通過電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算進(jìn)行永磁電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的優(yōu)化

在永磁電機(jī)特別是稀土永磁電機(jī)中，電機(jī)的價(jià)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(duì)降低稀土水磁電機(jī)的成本有重要作用，目前電磁場(chǎng)逆問題也主要用于解決這兩方面的問題。通常可選水磁體體積為目標(biāo)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(jì)變量。在約束條件中．除了將電機(jī)的外形尺寸等作為約束條件外，一般將性能指標(biāo)作為約束條件，以保證降低成本而電機(jī)的勝能又不至于變壞。此外，在利

用電磁場(chǎng)計(jì)算進(jìn)行電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，局部失磁問題也應(yīng)作為一個(gè)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(jī)的設(shè)計(jì)中，常常需要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)得到合理的磁極結(jié)構(gòu)與尺寸。例如對(duì)于水磁直流電動(dòng)機(jī)，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(qǐng)參見圖58 )，即在水磁體旁附加一塊軟鐵，利用負(fù)載時(shí)電樞反應(yīng)的增磁作用，增大主磁通為不增大電機(jī)的體積，定子扼部及其他尺寸如電機(jī)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(biāo)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(shí)，必須保證不發(fā)生局部失磁，同時(shí)額定轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)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(xué)模型為。

    利用一定的優(yōu)化方法產(chǎn)生設(shè)計(jì)點(diǎn)，通過電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算求該設(shè)計(jì)點(diǎn)下電機(jī)的性能指標(biāo)，然后根據(jù)其滿足約束條件的情況決定對(duì)設(shè)計(jì)點(diǎn)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(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化問題

對(duì)于一定結(jié)構(gòu)的永磁電機(jī)，可以通過優(yōu)化計(jì)算得到更為合理的結(jié)構(gòu)尺寸。例如，盤式直流電機(jī)的有效氣隙較大，永磁體用量較大，為降低成本，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少永磁材料的用量。如在原有樣機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，可選水磁材料體積最小作為日標(biāo)函數(shù)。為簡(jiǎn)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(zhǎng)度和外徑不大于要求值即可。相應(yīng)的數(shù)學(xué)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(jì)點(diǎn)，通過電磁場(chǎng)分析求得電機(jī)在某一設(shè)計(jì)下的性能，經(jīng)過反復(fù)迭代計(jì)算找到問題的最優(yōu)解

5永磁電機(jī)的瞬態(tài)電磁場(chǎng)計(jì)算

隨著永磁電機(jī)的發(fā)展，提出了計(jì)算水磁電機(jī)瞬態(tài)參數(shù)的要求，同時(shí)也需要用瞬態(tài)場(chǎng)計(jì)算解決水磁電機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的一些特殊問題，如異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能等。計(jì)算瞬態(tài)電磁場(chǎng)的場(chǎng)路藕合法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的，它把外電路方程和有限元方程聯(lián)立起來(lái)，直接把電機(jī)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(jī)的端部進(jìn)行修正，提高了二維場(chǎng)計(jì)算的精度。本節(jié)以水磁同步電動(dòng)機(jī)為例，介紹水磁電機(jī)瞬態(tài)場(chǎng)計(jì)算的場(chǎng)路禍合法，并推導(dǎo)出計(jì)算公式。

5 . 1瞬態(tài)電磁場(chǎng)基本方程

對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，做以下假設(shè)和處理：

l）忽略位移電流，即電磁場(chǎng)是似穩(wěn)場(chǎng)；

2）電樞部分磁場(chǎng)做二維分布，端部效應(yīng)由電機(jī)繞組的電路方程中常值端部漏電感計(jì)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(dǎo)率。和磁導(dǎo)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(jì)；

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