低转矩脉动同步磁阻电机设计优化分析

谭凤倩，张彦峰

(1.东营市赫邦化工有限公司，山东 东营 257000；2.东营市科德化工有限公司，山东 东营 257000)



低转矩脉动同步磁阻电机设计优化分析

谭凤倩1，张彦峰2

(1.东营市赫邦化工有限公司，山东 东营 257000；2.东营市科德化工有限公司，山东 东营 257000)

为完成对低转矩脉动同步磁阻电机的设计工作，借鉴了同步磁阻电机的相关研究成果，结合个人实践工作经验，提出了转子不对称结构的想法，以期降低电机的转矩，并对同步磁阻电机展开多目标优化设计研究，通过有限元对该方案的合理性进行验证分析。

低转矩；同步磁阻电机；设计优化；多目标

转子上没有励磁绕组与永磁体是同步磁阻电机与电励磁、永磁同步电机之间最大的差别。因此，转子也无法产生磁场，必须由不同的直、交轴磁路所产生的磁阻转矩，为其运行提供必需的转矩，进行能量转换工作。这使得不具备永磁材料的同步磁阻电机转子磁阻分布极为不均匀，不仅产生的转矩脉动较大，电机功率也较低。针对这一问题，国内、外学者已先后展开了一系列实践研究，笔者借鉴其研究成果，通过对同步磁阻电机的优化设计，以期提升电机性能，并利用有限元分析法，对方案的有效性加以验证，以供参考。

1 低转矩脉动同步磁阻电机的设计优化分析

与普通的永磁同步电机一样，转子也是同步磁阻电机的设计难点与重点。如图1(a)所示，这是同步磁阻电机典型的拓扑结构图，可以看到该转子结构采用的是3层磁障对称结构，定子齿与转子4组磁障间处于相同的相对位置，在同一时间内二者相遇时也会相互分离，造成不连续性磁阻出现变化，此时的转矩脉动较大。为进一步降低转矩脉动，避免定子齿与转子磁障产生同一时间内相遇并分离的问题，建议基于转子磁障的对称结构，对其中的1组磁障位置进行确定，另外3组磁障则分别按照逆时针方向进行偏转，以θ、2θ、3θ的电角度偏转，使定子齿与转子磁障处于不同的相对位置之上，将转子设计为不对称结构，如图1(b)结构剖析图所示。

图1 同步磁阻电机拓扑结构图Fig.1 Synchronous reluctance motor topology diagram

笔者通过建立实际模型数据的方法，进行具体分析，验证结构是否合理。可设计2台，4极3 kW的同步磁阻电机，保持各项参数的一致性，对其中一台同步磁阻电机转子采用不对称结构，另一台转子采用对称结构。分别为这两台电机进行有限元建模，图2为两台电机的转矩脉动对比图。通过图2可以看到，在平均输出转矩上，两台电机数值十分相近，而在三相SRM转矩脉动上，采用不对称结构的电机转矩脉动较小。在实际加工过程中，考虑到SRM中的磁障为空气槽，电机转子不对称结构势必会引发转子质量的不均匀，因此可采取硅钢片叠加方法，将一半的硅钢片旋转180°以后进行叠压安装，解决电机质量的不均匀问题，进而满足低转矩脉动同步磁阻电机的设计工作。

图2 同步磁阻电机转子对称和不对称结构转矩脉动对比Fig.2 Comparison of torque ripple of symmetrical and asymmetrical structures of synchronous reluctance motor

2 田口试验法与遗传算法

田口试验法是较为新颖的优化方法，可以在一次试验中拥有多个控制因子、优化目标，从而以最少的实验次数，实现对优化参数的最佳组合。笔者结合相关参考文献，根据田口试验法的应用原则与实践经验，对低转矩脉动SRM的优化变量进行确认。首先，对影响电机设计变量的优化目标进行试验，选择7个变量。通过对7个变量的处理，得到5个控制因子。其次，对5个控制因子进行有限元分析，处理后所得结果即为每个控制因子的合理变化范围，并运用控制因子的水平数建立正交表，得到正交结果，如表1所示。

表1 正交实验结果Tab.1 Orthogonal experimental results

根据正交实验所得结果，运用方差分析法，求出控制因子对每个优化目标的影响比重。

公式中：各个因素的水平数用m表示；试验次数用n表示；每个水平的实验次数用t表示；各个试验指标第i次的试验记录值用y1表示；第j列的影子水平m的t值试验所对应的品质特性和用Sjm表示。公式中：m、n、t、y1、Sjm分别表示各个因素的水平数、试验次数、实验次数、试验记录值、试验对应的品质特性。经过上述公式计算，可以得到各个控制因子对SRM转矩脉动、效率、功率因素优化目标的影响比重，进一步确定优化变量。

基于田口实验法求出优化变量，利用正交实验结果，优化配置遗传算法参数，可更好地开展低转矩脉动同步磁阻电机多目标优化设计研究工作，从而改善遗传算法的寻优性能与收敛速度。同步磁阻电机多目标优化前、后性能对比数据如表2所示，可以看到，通过多目标优化设计后的同步磁阻电机，电机转矩脉动大大降低，功率因素与电机效率同步提高，可谓全面提升了电机性能。

表2 多目标优化前、后的SRM性能对比Tab.2 Comparison of SRM performance before and after multi-objective optimization

3 结语

借鉴学者们的成功经验，提出利用不对称转子结构设计同步磁阻电机的方法，并运用田口试验法和有限元分析法，验证了该设计方案的科学有效性，以期为低转矩脉动同步磁阻电机的设计工作提供一些有益的参考建议，从而促进我国电机行业的良好发展。

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Design optimization of low-torque pulsating synchronous reluctance motor

TAN Feng-qian1,ZHANG Yan-feng2

(1.Dongying Hebang Chemical Co.,Ltd.,Dongying 257000,China; 2.Dongying Kede Chemical Co.,Ltd.,Dongying 257000,China)

In order to complete the design of low-torque pulsating synchronous reluctance motor,the related research results of synchronous reluctance motor were utilized combining with the personal practical experience,the idea of asymmetric structure of the rotor is put forward in order to reduce the torque. The multi-objective optimization design of synchronous reluctance motor is studied,and the rationality of the scheme is verified by finite element method.

Low torque; Synchronous reluctance motor; Design optimization; Multi-objective

2016-12-29

谭凤倩(1974-)，女。

TM352

A

1674-8646(2017)06-0136-02