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利用傅立叶级数对IPM电动机结构的优化

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  • 更新日期:2018-09-19 15:22
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详细介绍
本文对旋转电机提出了拓扑优化的方法,在此方法中,利用了傅立叶级数以再现转子的形状。为实现平均转矩的最大化和径向转矩波动的最小化,利用现有的方法对内置永磁式电机(IPM)的转子形式进行优化。这一方法显示,所提供优化的转子,其性能与由基于NGnet方法获得的转子性能可以匹比。由于电机的形状对效率有很大影响,故形状的设计是一项非常重要的设计内容。但是,从设计到电机的实验过程中,为了确定最佳的形状,不知需要多少反复的操作,是件很费功夫又要花成本的事。近年来,已广泛应用电磁场分析对电机形状进行优化。尤其最近,作为概念设计的有效途经,拓扑(结构)形状的最佳化正备受人们关注。
所谓拓扑形状的最佳化,不是引入尺寸和角度之类的设计参数,而是使形状自由的变化,对整体结构、形状进行优化的方法。作为该方法之一,我们采用了标准化高斯基础函数网络(Nornalized Gaussian Network)的on/Off法(简称NGnet-on/off法)。此法的优点是,不易产生在通常on/off法中容易出现的不可能制造的形状及棋盘式形状。不过,在应用NGnet-on/off法时,必须合适的确定标准的偏差值,以及高斯基础的配置。而且,更主要是无法保障高斯基础的最佳化。通过采用其他基础函数的拓扑优化结果的比较研究,最后可得到设计上有效的参考借鉴。
因此,本文提出的方案是:为旋转电机的拓扑优化采用了Fourier级数的on/off法。也有采用基础函数的中间值,来决定电容率的数值。另一方面,本研究中为考虑旋转电机铁芯的隔磁层(flux barrier)优化,利用Fourier级数来决定有无铁芯材料的2值(on/off)。还要考虑到具有磁非线性的铁芯材料,及存在可动部分的旋转电机的优化方法,研究的对象是完全不同的。
本文所述方法中,利用2方向(3元优化问题中为3方向)的三角函数叠加来表现形状,与使用局部分布的基础函数的NGnet-on/off法不同,因本法是以大范围的函数作为基础,可望得到与后者(NG法)不同特性的解。通过这些的合并使用,旨在获得丰富的设计情报。
本文将上述两种方法应用于内置式永磁电动机(IPM)中,以平均转矩的最大化和径向力变动的最小化为目的进行优化。此外,将2种方法进行了比较,对有关新方法的有效性和实用性也进行了验证。





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