自起动铁氧体助磁的同步磁阻电机优化设计.docx资源-CSDN文库

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摘要

研究了自起动铁氧体助磁的同步磁阻电机的设计方法。借鉴自起动永磁同步电机和同步磁阻电机的

设计原则，采用解析法和有限元法相结合的方法，初步设计了 1 台 4 极 11 kW 自起动铁氧体助磁

的同步磁阻电机。采用基于灰色模糊的田口算法对转子关键结构参数进行了多目标优化，解决了田

口算法在选择最佳优化参数组合时存在的多目标特性权衡问题。利用有限元法进行分析对比优化前

后电机的稳态性能。结果表明，优化后电机的稳态性能显著提高，同时也验证了上述优化设计方法

的有效性。

Abstract

This paper studies the design method of line-start ferrite assisted synchronous

reluctance motor. Firstly,based on the design principles of line-start permanent

magnet synchronous motors and synchronous reluctance motors,a 4-pole 11 kW

line-start ferrite assisted synchronous reluctance motor was initially designed using

a combination of analytical method and finite element method.Based on the grey

fuzzy Taguchi algorithm, the multi-objective optimization of the key structural

parameters of the rotor was carried out,and the multi-objective characteristic trade-

off problem of the Taguchi algorithm when selecting the best combination of

optimized parameters was solved.Finally,the finite element method was used to

analyze and compare the steady-state performances of the motor before and after

optimization.The results show that the steady-state performance of the motor is

significantly improved after optimization,and the effectiveness of the above

optimization design method is also verified.

译

关键词

田口算法; 灰色模糊理论; 解析法; 多目标优化; 有限元法

Keywords

Taguchi method; gray fuzzy theory; analytical method; multi-objective

optimization; finite element method

译

同步磁阻电机（synchronous reluctance motor，SynRM）具有加工工艺简单、制造成本低、

转子损耗小等优点，但一般不具备自起动能力，与相同规格的永磁电机相比，功率因数偏低

［ 1 ， 2］

。

永磁同步电机具有高效率、高功率因数和宽调速范围的优点，但由于稀土价格昂贵增加了其制造成

本

［ 3 ， 4 ］

。自起动铁氧体助磁的同步磁阻电机（ line-start ferrite assisted synchronous

reluctance motor，LSFA-SynRM）转子结构中存在起动绕组，不需要起动设备即能实现自起动，

相比同步磁阻电机省去了驱动设备，减小了系统体积，转子磁障内安放铁氧体代替稀土永磁，降低

了制造成本。LSFA-SynRM 引起了国内外学者越来越多的关注，最新研究有：国外学者 Petrov 等

［ 5］

提出了 LSFA-SynRM 转子导磁层的设计原则，分析评估了不同层数和厚度下铁氧体的退磁风险，

并提出了减小退磁风险的方法；国内学者李新华等

［ 6］

讨论了 LSFA-SynRM 的最大磁阻原理，分析

了其起动特点，并采用有限元法对比分析了 30 kW 永磁同步电动机和永磁磁阻电动机额定负载下

起动及稳态运行时的性能。文献［7］提出了一种铁氧体助磁的同步磁阻电机（ferrite assisted

synchronous reluctance motor，FA-SynRM）结构，基于二维有限元方法和样机试验评估了 FA-

SynRM 的性能，结果表明稳态性能与稀土永磁电机相近。

对 LSFA-SynRM 的优化设计是多目标优化的过程。田口（Taguchi）算法通过建立正交实验阵列，

能在最少实验次数下确定多个优化参数的最佳组合，但在确定最佳优化参数组合时往往需要进行多

目标特性权衡

［ 8-10］

。灰色模糊理论将灰色关联分析和模糊逻辑相结合，通过多项性能指标（multiple

performance characteristics index，MPCI）值来确定最佳设计参数组合，该方法广泛应用于

优化设计中

［ 11-13］

。文献［14］采用基于灰色模糊的 Taguchi 算法和 Rosenbrock’s 算法优化了 1

台 2 极 3 kW 的永磁感应电机，对比优化前后的目标特性，发现优化后电机的综合性能显著提升。

文献［15］采用基于模糊的 Taguchi 方法优化了 1 台表贴式永磁电机，将所确定的参数组合与使

用统计方差分析所确定的参数组合进行了建模分析对比，结果表明前者所确定的最佳优化参数组合

下电机的性能更优。文献［16］设计了 1 台永磁无刷轮毂电机，采用模糊推理 Taguchi 算法对转

子结构参数进行了优化，减小了电机的齿槽转矩，提高了电机效率。

本文采用解析法和有限元法相结合的方法确定铁氧体的磁化高度、层数以及转子槽数，完成电机的

初步设计。综合考虑各种优化算法的优劣，采用基于灰色模糊的 Taguchi 算法完成对转子关键结

构参数的多目标优化，采用有限元法对优化前后进行仿真分析，验证了优化设计方法的有效性。

1 电机结构

LSFA-SynRM 的 1/4 结构（一个极距范围）如图 1 所示，由定子铁芯、定子绕组、气隙、磁桥、

转子铁芯、鼠笼绕组（起动绕组）、铁氧体以及转轴组成。

图 1 LSFA-SynRM 1/4 结构

Fig.1 LSFA-SynRM 1/4 structure

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2 电机设计

本文以 1 台 11 kW、4 极、三相、额定电压为 380 V、额定转速为 1 500 r/min、额定频率为 50

Hz 的自起动铁氧体助磁同步磁阻电机为设计目标，设计流程如图 2 所示。

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