新型同步電機的分析與優(yōu)化研究.pdf

1、同步電機是一個復雜的非線性動態(tài)系統(tǒng)，廣泛應用于航空、交通、建筑等領域，研究同步電機的新型結構和運行原理，準確計算同步電機的各項性能參數(shù)，具有非常重要的意義。電機優(yōu)化是電機設計中一個重要的步驟，它直接影響著電機的性能及成本。因此新型同步電機的分析及優(yōu)化設計是目前電機領域中的研究重點。 在合理假設的基礎上，文中利用有限元方法對長定子直線電機、振動電機和盤式電機三種新型同步電機進行了系統(tǒng)的分析，得到了其主要性能隨電機尺寸及參數(shù)的變化規(guī)

2、律。并在現(xiàn)有電機優(yōu)化方法的基礎上，提出了一種新的電機優(yōu)化方法。該方法克服了原有方法結論適應性低、優(yōu)化時間長等缺陷，具有計算準確、使用方便、結論適用性較廣等優(yōu)點。優(yōu)化后新型電機的性能與現(xiàn)有電機相比，功率密度和效率更高。本文的主要工作和創(chuàng)新點如下： 1．將現(xiàn)有的全局優(yōu)化和部分優(yōu)化方法相結合提出了一種新的優(yōu)化設計方法。該方法首先利用有限元逐個分析電機各主要尺寸對電機性能的影響，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、應的各最佳尺寸值。然后基于有限元分析的結果，通過多項式擬合等方法得到電機各主要性能的計算公式，并將其作為電機的數(shù)學模型，進行全局優(yōu)化。該方法既可得到電機各尺寸與電機性能的對應變化關系，總結得到適應性較廣的結論；又能較解析法等其它方法更加精確地描述電機特性，并縮小了全局優(yōu)化的分析范圍，減少了運算時間。文中將其應用于長定子直線電機、振動電機和盤式電機的優(yōu)化設計中，獲得到了較為滿意的結果。 2．使用提出的優(yōu)化方法對新型永磁體外置式直線

4、振動發(fā)電機進行了系統(tǒng)的分析和優(yōu)化。利用有限元方法詳細分析了永磁體外徑、永磁體高度、繞組高度和鐵心直徑等各主要參數(shù)對發(fā)電機感應電動勢的影響，得到了一系列電機性能與參數(shù)問的變化對應關系。通過分析多個尺寸下的優(yōu)化結果，獲得了該電機準優(yōu)化的設計準則。優(yōu)化后的永磁體外置式直線振動發(fā)電機與現(xiàn)有的永磁體內置式電機相比，性能更優(yōu)，成本更低。當這兩種電機的外徑同為31mm，運行速度均為1m/s時，永磁體外置式發(fā)電機效率為永磁體內置式的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、盤式復合電機進行系統(tǒng)的分析和設計。在有限元分析結果的基礎上，通過傅立葉分解、多項式擬合等方法得到了直線電機電感、感應電動勢和推力的計算公式，并且系統(tǒng)分析了電機中定子槽寬、槽高和極寬等主要參數(shù)對輸出轉矩和感應電動勢的影響，獲得了一系列適用性較廣的結論。分析結果表明，定子槽寬和極寬的變化會對電機性能產生較大影響，永磁電機采用斜極結構，可有效減小電磁轉矩波動。為了簡化盤式電機的三維