永磁同步電機之通過電磁場數值計算進行永磁電機磁路結構形狀和尺寸的優化

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。優化磁極幾何形狀或磁極結構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，而將水磁體結構尺寸及有關變量作為設計變量。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化設計時，局部失磁問題也應作為一個約束條件考慮。

4. 2 . 1磁極局部幾勺形狀優化問題

在水磁電機的設計中，常常需要通過優化設計得到合理的磁極結構與尺寸。例如對于水磁直流電動機，為了改善技術勝能并節約永磁材料，可將瓦片形磁極改為組合磁極結構（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、轉子內、外徑等保持不變，只改變磁極結構， 如圖4一16所示以水磁體體積v．為日標函數，磁極極弧系數。軟鐵極弧系數。：及軟鐵與水磁體間的距離。為優化變量，在盡量減少水磁體用量的同時，必須保證不發生局部失磁，同時額定轉矩和起動轉矩要保證大于要求值，空載轉速大于一定值。其數學模型為。

    利用一定的優化方法產生設計點，通過電磁場數值計算求該設計點下電機的性能指標，然后根據其滿足約束條件的情況決定對設計點的取舍。經過一定次數的迭代，可得到問題的最優解

4.2.2電機的結構尺寸優化問題

對于一定結構的永磁電機，可以通過優化計算得到更為合理的結構尺寸。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，在設計時應盡量減少永磁材料的用量。如在原有樣機的基礎上進行優化，可選水磁材料體積最小作為日標函數。為簡化起見，令電樞繞組的線規及厚度等不變，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。相應的數學模型為。結構尺寸的優化問題同樣需要通過一定的優化方法產生設計點，通過電磁場分析求得電機在某一設計下的性能，經過反復迭代計算找到問題的最優解

5永磁電機的瞬態電磁場計算

隨著永磁電機的發展，提出了計算水磁電機瞬態參數的要求，同時也需要用瞬態場計算解決水磁電機設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。計算瞬態電磁場的場路藕合法是近年來發展起來的，它把外電路方程和有限元方程聯立起來，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。本節以水磁同步電動機為例，介紹水磁電機瞬態場計算的場路禍合法，并推導出計算公式。

5 . 1瞬態電磁場基本方程

對于永磁同步電動機，為了簡化計算，做以下假設和處理：

l）忽略位移電流，即電磁場是似穩場；

2）電樞部分磁場做二維分布，端部效應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；

4）水磁材料用等效面電流模擬；

5）忽略電導率。和磁導率產的溫度效應，它們僅為空間函數；

6）定、轉子疊片鐵心和源甩流區渦流忽略不計；

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。