[发明专利]一种无轴承永磁电机关键参数优化方法

说明书

技术领域

本发明属于机电能量转换装置的设计领域，特别涉及一种无轴承永磁电机关键结构参数的设计方法。

背景技术

就结构而言，无轴承永磁电机仅在定子上比传统永磁电机多了一套悬浮绕组，因此在设计样机时，有学者把定子中的两套绕组视为完全独立，把传统永磁电机的主体尺寸计算公式用于无轴承永磁电机的本体设计，并在此基础上再进行后续设计，这样设计经常会以牺牲转矩为代价来换取悬浮力性能，故无法同时满足悬浮力和转矩的性能要求。目前，尚未建立一套较为系统、切实可行，能得到学者普遍认可的设计方法。由于无轴承永磁电机中存在永磁磁场、转矩绕组电流产生的磁场和悬浮绕组电流产生的磁场，而且电机的输出转矩和悬浮力在同一气隙磁场中产生，样机设计时必须同时考虑输出转矩和悬浮力这两个指标，这些都增加了电机设计的难度和复杂性。因此传统永磁电机本体设计方法并不适用于无轴承永磁电机的设计，有必要研究适用于无轴承永磁电机的设计方法，使得研究人员在给定功率、转速、转矩、悬浮力等条件下能够设计出满足性能要求的无轴承永磁电机。

发明内容

针对传统永磁电机设计方法无法有效应用于无轴承永磁电机设计的局限性，本发明提出一种兼顾悬浮力和转矩的无轴承永磁电机关键参数优化设计方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种无轴承永磁电机关键参数优化方法，包括以下步骤：

1）根据设计要求，选定无轴承永磁电机的设计参数；

2）确定无轴承永磁电机的转矩绕组极对数P_M，以及悬浮绕组极对数P_B，且满足P_B=P_M±1；

3）利用有限元方法，得到最大悬浮力的计算值F_max，计算公式为：

F_max=F_spec·πD_sil_Fe

式中，F_spec为单位面积上悬浮力大小，D_si为无轴承永磁电机的定子内径，l_Fe为无轴承永磁电机的定子长度；

4）对设计参数进行优化：将步骤3）得到的最大悬浮力的计算值F_max与悬浮力设计要求值F_maxN进行比较，如果计算值不符合设计要求，即：│F_max－F_maxN│>ξ，ξ为最大悬浮力设计精度要求，则增大或减小换算系数C_red,0<C_red<1，再进行反复迭代，直到最大悬浮力的计算值F_max符合设计精度要求，其中，B_m为无轴承永磁电机气隙磁密峰值，B_Mm1为无轴承永磁电机转矩绕组和永磁铁产生的用来产生额定转矩的气隙磁密峰值，B_Bm1为悬浮绕组产生的用来产生最大悬浮力的气隙磁密峰值，且B_m=B_Mm1+B_Bm1；最后得到优化的无轴承永磁电机的关键参数：定子内径D_si和定子长度l_Fe。

步骤3）中无轴承永磁电机定子内径D_si和定子长度l_Fe的计算公式分别为：l_Fe=λ·τ_M，式中，K为电机的利用系数，τ_M为转矩绕组极距，λ为电机主要尺寸比，P_N'为无轴承永磁电机额定功率，n_N为额定转速。

本发明引入换算系数C_red，通过反复的迭代得到既能满足输出转矩要求又能满足最大悬浮力要求的换算系数C_red，从而完成无轴承永磁电机的关键参数优化设计。本发明可以克服传统永磁电机设计方法在设计无轴承永磁电机时无法兼顾转矩和悬浮力性能的不足之处，具有设计思路清晰明了，设计开发时间短，操作简单，易于工程实现等优点。

附图说明

图1是无轴承永磁电机关键参数优化设计的流程图。

具体实施方式

如图所示，图1是兼顾悬浮力和转矩的无轴承永磁电机关键参数优化设计方法的流程图，该图具体描述了优化设计过程中各个细节问题。具体的实施步骤如下：