引言

在新能源汽車及工業(yè)驅(qū)動等領(lǐng)域,電機是消耗能量的主要部件之一。永磁同步電機內(nèi)置了采用稀土材料制作的永磁體,因而具備效率高、功率密度高的優(yōu)點,大規(guī)模應(yīng)用可以提高能源利用率,助力實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的目標(biāo)。但電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時,永磁體形成的磁場會切割定子繞組,在繞組中產(chǎn)生反電動勢,當(dāng)電機轉(zhuǎn)速升高時,反電勢也會隨之升高?？紤]到經(jīng)濟因素及實際運行狀況,電機控制器、電源能夠提供的線電壓一般為定值,即當(dāng)電機轉(zhuǎn)速達(dá)到某一值時,電機反電動勢與控制器線電壓接近,此時電機轉(zhuǎn)速為能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速,電機不能不繼升速運行。新能源汽車及工業(yè)控制領(lǐng)域續(xù)速快展,其對電機運行工況的要求越來越多,單一工況運行已不能滿足實際需求,工業(yè)界對能夠多工況運行的PMSM需求越快緊迫。因而解決PMSM調(diào)速范圍的問題可以拓展PMSM的使用場合,使其能夠在多工況下運行,降低能耗,減少碳排放,增加經(jīng)濟效益。

本文樣機為一臺196kw內(nèi)置式多層磁障永磁同步電機,將多工況下的轉(zhuǎn)矩和線電壓作為優(yōu)化目標(biāo),將電機轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)作為優(yōu)化變量,通過多目標(biāo)優(yōu)化的方法,擴大了電機調(diào)速范圍,拓展了電機使用場合。

1電機多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計

要實現(xiàn)電機多工況運行,僅在某一工況選擇單一優(yōu)化目標(biāo)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。對PMSM而言,若只優(yōu)化額定點轉(zhuǎn)矩,使其在額定點輸出轉(zhuǎn)矩最大,則電機永磁磁鏈會達(dá)到最大值,其最高轉(zhuǎn)速必然降低。因而必須同時將電機多工況下的輸出轉(zhuǎn)矩和線電壓作為優(yōu)化目標(biāo),進(jìn)行多工況、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。

1.1多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計流程

電機多目標(biāo)優(yōu)化流程如圖1所示。

如圖1所示,在開展多目標(biāo)優(yōu)化時,首先需要確定優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化變量。優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化變量選擇過少,則不能全面覆蓋電機的實際工況:目標(biāo)選擇過多,又會增加優(yōu)化時間與工作量。因此,只有合理選擇優(yōu)化目標(biāo),才能實現(xiàn)合理優(yōu)化的目的。

其次,要確定優(yōu)化變量的參數(shù)范圍,部分變量可調(diào)節(jié)范圍很廣。如第一層磁障到轉(zhuǎn)子圓心的位置,其取值可在80~120mm變動,該值過小時,永磁體距離氣隙太遠(yuǎn),相同電流下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩會大幅衰減:但如果選得過大,不僅轉(zhuǎn)矩脈動會增加,轉(zhuǎn)子也更容易出現(xiàn)飽和的情況,轉(zhuǎn)子沖片的強度也會受到影響,因此優(yōu)化前需要選擇合適的取值范圍。

再次,需要選擇合適的優(yōu)化算法。優(yōu)化算法的種類很多,比如遺傳算法、粒子群算法等等,這些算法各有特點,粒子群算法全局搜索能力強,不易陷入局部最優(yōu)值,但其計算周期長,計算量大,收斂較慢。本文選擇的混合遺傳算法將模擬自然界生物的進(jìn)化過程的遺傳算法和模擬退火法相結(jié)合,在保證遺傳算法全局性能的基礎(chǔ)上減小計算量,減少計算時間,加快收斂速度,非常適合工程實際使用。

最后,優(yōu)化后的結(jié)果可能是一個滿足優(yōu)化要求的解集,需要對比不同方案,結(jié)合實際情況選擇合適的優(yōu)化方案。

1.2優(yōu)化目標(biāo)的選擇

電機設(shè)計目標(biāo)如下:額定功率196kw,額定轉(zhuǎn)速2750r/min,額定轉(zhuǎn)矩680N·m,額定電壓420VrmS,額定電流380A,峰值轉(zhuǎn)速10000r/min。

所設(shè)計電機的初始參數(shù)如下:額定點轉(zhuǎn)矩682N·m,峰值轉(zhuǎn)速8000r/min。

要達(dá)到提高電機峰值轉(zhuǎn)速并且保證電機額定工作點的目標(biāo),需要同時考慮電機額定工況及峰值工況。在額定工況下,電機需要滿足輸出轉(zhuǎn)矩的需求,輸出轉(zhuǎn)矩越大,對輸入電流的要求就越小,較小的輸入電流可以減少電機銅耗,降低電機熱負(fù)荷。在額定輸入電流不能改變的情況下,也可減少電機鐵芯有效長度從而節(jié)約電機成本。因此,在不增加成本的情況下,應(yīng)使電機在額定點的輸出轉(zhuǎn)矩盡量大。為了達(dá)到更高轉(zhuǎn)速,峰值轉(zhuǎn)速點應(yīng)在保證輸出轉(zhuǎn)矩的情況下,使電機線電壓有效值盡量小,從而實現(xiàn)拓速的目的。本文選擇電機額定及峰值點的電機輸出轉(zhuǎn)矩及線電壓有效值作為優(yōu)化目標(biāo),通過優(yōu)化算法,尋找使電機輸出轉(zhuǎn)矩最大且峰值線電壓最小的方案。

1.3確定優(yōu)化變量及其范圍

本文選擇PMSM的轉(zhuǎn)子沖片作為主要優(yōu)化對象,可優(yōu)化的變量包括多層磁障間的間距,磁障的形狀,磁鋼的位置、間距和厚度等,可見轉(zhuǎn)子沖片可供優(yōu)化的變量數(shù)量眾多,優(yōu)化全部變量工程量巨大,且很多變量對提高電機輸出轉(zhuǎn)矩及增加電機運行范圍并無明顯影響。本文通過初篩及敏感度分析,確定了對電機性能影響較大的幾個變量作為優(yōu)化變量,并在表1列出了主要優(yōu)化變量的初始值及優(yōu)化范圍。

1.4電機優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過優(yōu)化算法優(yōu)化后共產(chǎn)生200個設(shè)計方案,部分方案的轉(zhuǎn)子沖片隔層磁障互有交疊,為不合理方案:部分方案在輸出相同轉(zhuǎn)矩的情況下,消耗磁鋼過多。結(jié)合電機實際工作情況,在滿足設(shè)計要求時,盡量考慮電機經(jīng)濟性,優(yōu)選方案如下:

(1)隔層磁障夾角:209、389、329、389:

(2)第一層磁障距圓心位置:120mm:

(3)磁障間距:3mm、6mm、4mm:

(4)磁障厚度:3mm、4mm、3mm、8mm:

(5)一至四層直線磁障寬度:7mm、14mm、20mm、24mm:

(6)一至四層傾斜磁障長度:5.7mm、9.6mm、11.5mm、19.8mm。

優(yōu)化前后電機拓?fù)淙鐖D2所示,可見,電機拓?fù)溆辛嗣黠@改變,除第四層磁障厚度有所增加外,其余每層磁障厚度都有所減少或不變,每段磁鋼的厚度也有所減小。優(yōu)化后電機在額定工況下,輸出轉(zhuǎn)矩696.9N·m,線電壓有效值192.4VrmS:在峰值工況下,電機輸出轉(zhuǎn)矩192N·m,線電壓有效值419.3VrmS。滿足初始設(shè)計要求。

2電機性能分析

2.1電磁性能分析

電機優(yōu)化前后輸出外特性如圖3所示。

電機優(yōu)化前,恒轉(zhuǎn)矩區(qū)到恒功率區(qū)的拐點轉(zhuǎn)速約為3000r/min,恒轉(zhuǎn)矩區(qū)輸出轉(zhuǎn)矩682.1N·m,效率96%。當(dāng)電機運行至8000r/min后,相電流與相電壓的夾角達(dá)到809,此時若繼續(xù)增大角度,仿真時仍能得到更高轉(zhuǎn)速,但由于弱磁程度太深,在實際控制時電機運行已不穩(wěn)定,因此舍去后續(xù)數(shù)據(jù)。電機優(yōu)化后,恒轉(zhuǎn)矩區(qū)到恒功率區(qū)的拐點轉(zhuǎn)速約為2800r/min,輸出轉(zhuǎn)矩696.9N·m,轉(zhuǎn)矩脈動3.5%,效率96.3%。即電機優(yōu)化后滿足設(shè)計目標(biāo),相較優(yōu)化前,轉(zhuǎn)矩增加14.8N·m,效率增加0.3%。電機在11000r/min時,輸出轉(zhuǎn)矩193.5N·m,此時相電流與相電壓的夾角達(dá)到80°,完全滿足10000r/min的設(shè)計目標(biāo)。可見,通過多目標(biāo)優(yōu)化的方法可以改變電機輸出外特性,從而實現(xiàn)增大電機調(diào)速范圍的目標(biāo)。

2.2經(jīng)濟性分析

優(yōu)化前后定子沖片并未改變,定子繞組也未改變。但由于優(yōu)化后電機轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)更加緊促,因而轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)徑可以放大,從而減少轉(zhuǎn)子沖片材料用量及重量。轉(zhuǎn)子沖片內(nèi)徑由優(yōu)化前的68mm增大至75mm,轉(zhuǎn)子沖片用量僅為優(yōu)化前的86.7%。由圖2亦可得出,電機磁鋼用量也有減少,單極磁鋼面積為優(yōu)化前的56.82%。按照電機長度300mm、每公斤磁鋼500元計算,單臺電機磁鋼消耗減少5374.6元。可見,對PMSM進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,不僅可以改善電機電磁性能,還能提高電機經(jīng)濟性。

3結(jié)語

本文以額定工況及峰值工況的輸出轉(zhuǎn)矩及線電壓作為優(yōu)化目標(biāo),將轉(zhuǎn)子沖片的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)作為優(yōu)化變量,通過混合遺傳算法優(yōu)化了采用多層磁障的PMSM。優(yōu)化后電機最高轉(zhuǎn)速得到了提升,由優(yōu)化前的8000r/min增加至11000r/min,調(diào)速范圍提高了逾30%。優(yōu)化后電機轉(zhuǎn)子鐵芯重量僅為優(yōu)化前的86.7%。磁鋼用量為優(yōu)化前的56.82%,磁鋼成本減少了5374.6元。優(yōu)化后電機性能得到了大幅提升,其調(diào)速區(qū)間更大,弱磁性能更好:同時電機價格有所下降,經(jīng)濟性更好。綜上,優(yōu)化后的電機電磁性能更好,適用性更廣,價格更低,具有很高的工程實用價值,對PMSM的研究與發(fā)展具有重要意義。