新型同步電機(jī)的分析與優(yōu)化研究.pdf

1、同步電機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于航空、交通、建筑等領(lǐng)域，研究同步電機(jī)的新型結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，準(zhǔn)確計(jì)算同步電機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)，具有非常重要的意義。電機(jī)優(yōu)化是電機(jī)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的步驟，它直接影響著電機(jī)的性能及成本。因此新型同步電機(jī)的分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)是目前電機(jī)領(lǐng)域中的研究重點(diǎn)。 在合理假設(shè)的基礎(chǔ)上，文中利用有限元方法對長定子直線電機(jī)、振動(dòng)電機(jī)和盤式電機(jī)三種新型同步電機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，得到了其主要性能隨電機(jī)尺寸及參數(shù)的變化規(guī)

2、律。并在現(xiàn)有電機(jī)優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上，提出了一種新的電機(jī)優(yōu)化方法。該方法克服了原有方法結(jié)論適應(yīng)性低、優(yōu)化時(shí)間長等缺陷，具有計(jì)算準(zhǔn)確、使用方便、結(jié)論適用性較廣等優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)化后新型電機(jī)的性能與現(xiàn)有電機(jī)相比，功率密度和效率更高。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1．將現(xiàn)有的全局優(yōu)化和部分優(yōu)化方法相結(jié)合提出了一種新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法首先利用有限元逐個(gè)分析電機(jī)各主要尺寸對電機(jī)性能的影響，通過歸納、分析、對比等方法得到在不受其它尺寸的影響下，其對

3、應(yīng)的各最佳尺寸值。然后基于有限元分析的結(jié)果，通過多項(xiàng)式擬合等方法得到電機(jī)各主要性能的計(jì)算公式，并將其作為電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行全局優(yōu)化。該方法既可得到電機(jī)各尺寸與電機(jī)性能的對應(yīng)變化關(guān)系，總結(jié)得到適應(yīng)性較廣的結(jié)論；又能較解析法等其它方法更加精確地描述電機(jī)特性，并縮小了全局優(yōu)化的分析范圍，減少了運(yùn)算時(shí)間。文中將其應(yīng)用于長定子直線電機(jī)、振動(dòng)電機(jī)和盤式電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，獲得到了較為滿意的結(jié)果。 2．使用提出的優(yōu)化方法對新型永磁體外置式直線

4、振動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和優(yōu)化。利用有限元方法詳細(xì)分析了永磁體外徑、永磁體高度、繞組高度和鐵心直徑等各主要參數(shù)對發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢的影響，得到了一系列電機(jī)性能與參數(shù)問的變化對應(yīng)關(guān)系。通過分析多個(gè)尺寸下的優(yōu)化結(jié)果，獲得了該電機(jī)準(zhǔn)優(yōu)化的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。優(yōu)化后的永磁體外置式直線振動(dòng)發(fā)電機(jī)與現(xiàn)有的永磁體內(nèi)置式電機(jī)相比，性能更優(yōu)，成本更低。當(dāng)這兩種電機(jī)的外徑同為31mm，運(yùn)行速度均為1m/s時(shí)，永磁體外置式發(fā)電機(jī)效率為永磁體內(nèi)置式的104％，而成本僅為

5、后者的97％。 3．利用新型優(yōu)化方法對長定子直線電機(jī)、盤式復(fù)合電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。在有限元分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過傅立葉分解、多項(xiàng)式擬合等方法得到了直線電機(jī)電感、感應(yīng)電動(dòng)勢和推力的計(jì)算公式，并且系統(tǒng)分析了電機(jī)中定子槽寬、槽高和極寬等主要參數(shù)對輸出轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢的影響，獲得了一系列適用性較廣的結(jié)論。分析結(jié)果表明，定子槽寬和極寬的變化會(huì)對電機(jī)性能產(chǎn)生較大影響，永磁電機(jī)采用斜極結(jié)構(gòu)，可有效減小電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。為了簡化盤式電機(jī)的三維