永磁式力矩器的优化设计
基于RSM的永磁驱动器偏心磁极的多目标优化
C AM E O 凯模C A E 案例库w w w .c a m e o .o r g .c n 第35卷第9期2014年9月仪器仪表学报Chinese Journal of Scientific InstrumentVol.35No.9Sep．2014收稿日期：2014-02Ｒeceived Date ：2014-02*基金项目：辽宁省技术创新重大项目（201309001）资助基于ＲSM 的永磁驱动器偏心磁极的多目标优化*石松宁1，2，王大志1，时统宇1（1．东北大学信息科学与工程学院沈阳110004；2．辽宁工程技术大学电子与信息工程学院葫芦岛125000）摘要：本文设计了一种具有偏心磁极结构的永磁驱动器，采用三维有限元仿真建立改进的永磁驱动器的样本空间，通过中心复合试验设计选取合适的试验点，利用ANSYS 有限元分析软件对试验点处的永磁驱动器重量、涡流损耗和输出转矩进行分析计算，获取响应值。
根据响应值建立改进的永磁驱动器二阶响应面回归模型。
并基于该回归模型，在确保永磁驱动器输出转矩不小于额定转矩的情况下，选择重量和涡流损耗功率最小为优化目标，利用自适应权重粒子群算法对永磁驱动器偏心磁极结构进行多目标优化，得出最优结构参数组合。
有限元仿真实验对比改进前后永磁驱动器的磁通密度和涡流密度分布的结果，验证了该优化方法的可行性。
优化结果使改进的永磁驱动器重量与原样机相比减少了1．145kg ，涡流损耗功率减小了70．76W ，提高了永磁驱动器的传动转矩，进一步提高了系统的工作效率。
关键词：永磁驱动器；有限元法；响应面法；自适应权重粒子群算法；多目标优化中图分类号：TH132文献标识码：A国家标准学科分类代码：470．40Multi-objective optimization of eccentric magnet pole for permanentmagnet drive based on response surface methodologyShi Songning 1，2，Wang Dazhi 1，Shi Tongyu 1（1．College of Information Science ＆Engineering ，Northeastern University ，Shenyang 110004，China ；2．School of Electronics and Information Engineering ，Liaoning Technical University ，Huludao 125000，China ）Abstract ：A permanent magnet drive （PMD ）with eccentric magnet pole structure was designed ，3D finite element simulation was adopt-ed to establish the sample space of the improved PMD ，and then the Central Composite Design （CCD ）experiment method was used to guide the selection of appropriate test points ，The finite element analysis software ANSYS was utilized to analyze and calculate the weight ，eddy current loss and output torque of the PMD at the test points ，and obtain the response outputs of these samples ；based on the response outputs the quadratic polynomials were employed to construct the quadratic response surface regression model．Based on this model ，while ensuring that the output torque of the PMD is not less than the rating torque ，the minimal eddy current loss and minimal weight were taken as the optimal objective ；and then the adaptive weight particle swarm optimization （AWPSO ）algorithm was used to perform multi －objective optimization of the eccentric magnetic pole structure of the PMD and obtain the optimal structure parameters of the PMD．In the finite element simulation experiment ，the magnetic flux density and eddy current density distributions before and after the improvement were compared ；the results prove that the parameter optimization method is feasible．Through the optimization ，com-pared with original prototype ，the weight of the PMD decreases by 1．145kg and the eddy current loss decreases by 70．76W．The optimi-zation method has improved the drive torque and the working efficiency of the system．Keywords ：permanent magnet drive ；Finite Element Method （FEM ）；response surface methodology （ＲSM ）；adaptive weight particle swarm optimization （AWPSO ）；multi-objective optimizationC A M E O 凯模C A E 案例库w w w .c a m e o .o r g .c n 1964仪器仪表学报第35卷1引言永磁驱动器作为一种新兴的节能调速设备，具有高效节能、软启动、无谐波、容忍对中误差等优点，已经广泛应用于石化、冶金、电力等相关行业。
一种改进型轴向永磁调速器的优化设计
一种改进型轴向永磁调速器的优化设计摘要：改进型轴向永磁调速器在实际应用中虽然可以很好的减缓传动过程中产生的振动，但是并不能消除振动，为了减少振动带来的危害，通过建立BP神经网络的预测模型和空间粒子群最优算获得改进型轴向永磁调速器最优结构，最后应用 Ansoft3D有限元仿真软件建立三维立体模型进行仿真，仿真结果表明所提出的新型结构改进型轴向永磁调速器性能有显著的提高。
关键词：永磁调速器；BP神经网络；空间粒子群算法1永磁调速器改进的必要性及优化问题的提出永磁调速器在减少传动过程中的振动和损耗及其缓解谐波污染等方面有着突出的优势，但是再传动过程中依然会有振动发生，振动不仅会造成设备的损坏，而且会造成永磁体发热高温退磁的现象，因此一定要对永磁调速器进行优化改进。
1.1 永磁体转子的改进传统的永磁体转子常采用瓦片型，其结构简单，易于生产，但是各转子间气隙包含的的谐波较大，造成的损耗发热很大，对永磁调速器的性能和寿命造成了很大影响。
当前比较常用的永磁体转子采用弧形表面，能很好减少气隙里边的谐波含量,进而改进永磁调速器的性能，但是制造弧形表面的转子在工艺和成本上都存在一定困难，不利于批量生产，因此改进的永磁体转子采用梯形转子。
1.2 优化数学模型的建立虽然改进的结构已经确定采用梯形的永磁体转子结构，但是其他的参数也将影响永磁调速器的精度和性能，因此仍然需要对梯形永磁体转子结构的参数值进行优化选取，进而使改进轴向永磁调速器达到最优的效果和性能。
具体参数包括铜盘厚度（t）、磁极个数（n）、极弧系数（α）、切割高度（h）、切割角度（θ）、气隙磁密（kBδ ），表1为设定的参数选取范围。
表1 永磁调速器参数范围表2、利用BP建立模型BP神经网络是一种按误差反传的多层前馈网络，一个基本的神经网络应该分为输入层、隐含层和输出层三部分。
主要包含信号的前向传播和误差的反向传播两个过程，前向传播过程，从输入层经隐单元层一个个处理，最终传到输出层，每一层神经元的数值顺向关联。
关于永磁直流力矩电机减小齿槽转矩的实际应用
关于永磁直流力矩电机减小齿槽转矩的实际应用摘要在高精度位置稳定平台系统中，如何降低永磁直流力矩电机齿槽转矩是一个重点和难点问题。
针对该问题，文中采用一种综合应用方法，对齿槽转矩进行抑制，并利用ANSOFT MAXWELL进行仿真分析与样品实验来校验该方法的有效性，仿真与实验结果表明，通过该综合应用方法可对电机齿槽转矩进行有效抑制，改善了电机的运转状态。
关键词伺服系统；齿槽转矩；仿真分析在高精度位置稳定平台系统中，永磁直流力矩电机的转矩波动及由转矩波动引起的静摩擦力过大，都会对平台系统的隔离度和定位精度产生较大影响。
因此，如何有效降低电机的转矩波动是一个重点和难点问题。
1 齿槽转矩产生机理齿槽转矩是电机不通电时，永磁体和电枢铁芯开齿，磁能有变化所引起的那部分转矩。
齿槽转矩也可以定义为磁场能量W相对于位置角α的负导数，即。
转子磁极中心位置相对坐标原点的角度为θ，永磁直流力矩电机磁动势傅立叶级数：；式中：是磁动势的谐波次数，。
气隙磁导分布可由磁导方程表示，用傅立叶级数表达：式中：常数，为n次谐波的幅值。
则电机磁场能量：即：是场函数和磁动势函数相互作用结果。
在降低齿槽转矩研究方面提出了：定子开辅助齿、电枢斜槽、转子斜极、磁极偏移、极弧系数优化、磁钢形状优化、槽口宽优化等多种方式。
本文提出采用适合多品种、小批量、高精度、同时工艺简单、成本低的永磁体形状优化、最佳极弧系数、斜极的综合应用方式。
2 设计方案优化措施2.1 磁钢形状优化根据上述分析，减小气隙磁场及调整气隙磁场波形接近正弦波，使达到齿槽转矩减小的目的。
传统瓦形磁体气隙磁场径向分布：式中：------永磁体剩磁；--------永磁磁钢充磁方向长度；-------气隙径向长度。
等厚磁体气隙磁场径向分布：式中：-----与磁体瓦形中心夹角为处磁体充磁方向长度。
永磁体一般形状是瓦形磁极，通过永磁体偏心去尖角实现不等气隙，进而达到消弱齿槽转矩。
本次采用了“磁极偏心”变形结构，新永磁体形状简单、简化了加工工艺，同样实现了“磁钢削尖角”目的，图1磁钢削角新结构所示（A图消角前、B消角后），将永磁体瓦形两圆弧角通过尺寸L直接加工掉，其消弱齿槽转矩效果更明显。
永磁电机的磁场优化设计
永磁电机的磁场优化设计随着科技的不断发展，永磁电机在现代工业中扮演着越来越重要的角色。
永磁电机兼具高效、节能、环保等诸多优点，被广泛应用于风力发电、电动汽车、轨道交通等领域。
而永磁电机的磁场优化设计则是保证其性能和效率的重要因素。
1. 永磁电机的基本结构及磁场特性永磁电机由串联在转子上的永磁体和固定于机壳上的定子绕组组成。
当定子绕组通电时，会在永磁体中产生旋转磁场，从而带动转子转动。
永磁电机的性能主要由磁场特性决定，其中磁场强度、磁场分布均对性能产生重要影响。
2. 磁场优化设计的必要性和意义由于永磁电机的性能与磁场直接相关，因此磁场优化设计可以有效提高其转矩、效率等方面的性能指标。
同时，磁场优化设计还可以优化永磁体的形状和尺寸，从而降低材料成本和制造成本。
3. 磁场优化设计的方法和技术磁场优化设计是一项复杂的工作，需要运用一系列技术手段和方法来实现。
其中，有限元分析作为一种重要的方法，在永磁电机中得到了广泛应用。
有限元分析可以通过计算磁场分布、磁通密度、转子功率密度等参数来评估不同结构参数的性能优化效果。
另外，还有一些其他的方法可以用于永磁电机的磁场优化设计，如Taguchi方法、响应面法等。
这些方法通常需要将实验数据和理论模型相结合，从而确定磁场优化的最佳方案。
4. 磁场优化设计的案例分析以嵌入式永磁同步电机为例，通过对永磁体的结构尺寸、形状、位置等参数进行优化，可以改善电机的性能和效率。
例如在转子安装位置、永磁体形状和尺寸等方面进行优化，可以有效提高电机的转矩、效率等性能指标。
5. 磁场优化设计的未来发展趋势随着科技的不断进步，磁场优化设计方法和技术也在不断发展。
下一步，磁场优化设计将趋向于全局优化和多目标优化。
同时，引入人工智能、机器学习等先进技术，将有助于提高永磁电机的性能和效率，实现可持续发展。
总之，永磁电机的磁场优化设计是提高其性能和效率的重要手段。
通过合理优化永磁体的结构尺寸、形状、位置等参数，可以有效提高电机的转矩、效率等性能指标。
永磁同步电机弱磁控制0扭矩的原因-概述说明以及解释
永磁同步电机弱磁控制0扭矩的原因-概述说明以及解释1.引言1.1 概述永磁同步电机作为一种高效、节能的电机类型，广泛应用于电动汽车、工业生产等领域。
弱磁控制作为一种控制策略，在提高电机效率和降低能耗方面具有重要作用。
然而，在弱磁控制下，永磁同步电机可能出现零扭矩的情况，这将影响电机的性能和工作稳定性。
因此，本文将探讨弱磁控制下永磁同步电机出现零扭矩的原因，并提出解决方案，为优化永磁同步电机的控制效果提供参考。
写文章1.1 概述部分的内容1.2 文章结构文章结构部分是关于整篇文章内容的组织和安排的说明。
在这篇文章中，主要分为引言、正文和结论三个部分。
具体来说，引言部分包括概述、文章结构和目的三个小节，通过引言部分引领读者对文章主题有一个整体的认识和准备。
正文部分主要包括永磁同步电机的基本原理、弱磁控制的概念和应用、以及弱磁控制下出现零扭矩的可能原因三个小节，通过详细介绍这些内容来帮助读者深入了解永磁同步电机弱磁控制0扭矩的原因。
结论部分则包括总结弱磁控制对永磁同步电机的影响、对零扭矩问题的解决建议，以及展望未来永磁同步电机的发展方向三个小节，通过对文章内容进行总结和展望，让读者对这一主题有一个更加深入和全面的理解。
整个文章结构清晰明了，让读者能够系统性地了解和学习关于永磁同步电机弱磁控制0扭矩的问题。
1.3 目的本文旨在探讨永磁同步电机弱磁控制下出现零扭矩的原因。
通过对永磁同步电机的基本原理和弱磁控制的概念进行分析，深入探讨在弱磁控制模式下零扭矩问题可能出现的原因，为进一步研究和解决这一问题提供理论支持。
同时，本文还致力于总结弱磁控制对永磁同步电机性能的影响，并提出解决零扭矩问题的建议，为永磁同步电机的应用和发展提供参考和指导。
最终，本文旨在展望未来永磁同步电机的发展方向，推动其在各种应用领域中的广泛应用和进步。
2.正文2.1 永磁同步电机的基本原理永磁同步电机是一种通过永磁体产生磁场，并利用定子绕组和转子磁场之间的相互作用产生转矩的电机。
永磁直流电机的优化设计
永磁直流电机的优化设计Nady Boules(通用研究实验室, 沃伦 ，迈阿密,)摘要 提出适用于永磁直流电机的设计最优化数学模型。
这种模型，结合电机的电磁特性和物理变量，可用于计算电机的电枢反应参数、电刷压降特性和铁心的磁性饱和参数。
本文提出各种变量的转换方法，使模型可广发的适用对各种不同型号的永磁直流电机。
在计算机程序嵌入该模型后，程序能够有系统地确定电机的最优化设计参数。
本文介绍了这种最优化方法和计算机程序的逻辑结构。
列举了一个例子来论证这个程序能够用于优化电机的设计。
1 绪论在今天科学的快速发展更换中，通过大容量和高速性的现代计算机使最优化技术在工程运用中作为一个重要的手段。
最优化技术广发的运用在许多工程部分和系统中，尤其近来被运用到电机的设计方面[1]-[7]。
在许多商业应用中，永磁直流电机发挥巨大的作用。
在今天激烈竞争的时代，遇到一个给定操作要求和约束的条件下，有能力去选择一个理想的参数设计对这类永磁直流电机来说是非常重要的。
本文介绍了一种合适此类电机的优化设计方法。
这种方法取代了电机的一些参变量，比如电枢直径，导体数，其他规格化量后的导体区域。
规格化量后的初始变量可以很容易用于不同等级的电机中。
本文通过揭漏和解释设计变量的函数（目标函数），比如电机的重量，体积，效率作为一个函数，建立一个数学模型表达这个函数的最优化特性。
这个模型运用二维磁场分析法来获得一个精确的磁路闭环解决方法[8]。
在给定电机的要求和设计约束后，这个模型嵌入到计算机程序中合并一起做为优化的手段来有效的找到电机的最优化设计参数。
介绍了最优化技术和程序的逻辑结构。
通过一个例子，以电机的空间和热量为约束，比较优化前后现有电机的最大效率，可以论证这个程序的有效性。
2 最优化问题公式表达对于任何设计问题，几个可能的对比设计都必须要有，以满足设计场合中不同的要求和设计约束。
这些设计可以叫做可行性设计或者可接受性设计。
最优化设计是一种可接受性设计，在某种意义上它必须是最好的。
混合磁化永磁联轴器的优化设计
混合磁化永磁联轴器的优化设计徐杰;张泽工;金鑫【摘要】近年来,径向充磁的联轴器在工程中得到了广泛应用,但其加工和安装成本相对较高.若将永磁体加工成已加工的立方体磁块,在安装结构上更容易实现.由于混合磁化联轴器具有更好的传动特性:当径向磁化磁体体积等于切向磁化磁体体积时,具有最大传动扭矩,几乎是单一磁化型的2倍.所以可通过Maxwell对径向、切向混合充磁的永磁联轴器进行仿真计算,并对计算结果进行分析,找到这种磁力联轴器最佳结构:当Rm.=45 mm和内、外永磁体间隙为2 mm固定的条件下,磁极对数m=8,外磁体为37.2 mm×20 mm,内磁体为21.26 mm×l6 mm,最大传递转矩可达251.5 N·m.【期刊名称】《现代机械》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】4页(P31-34)【关键词】永磁联轴器;径向、切向充磁;Maxwell;优化设计【作者】徐杰;张泽工;金鑫【作者单位】合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009;合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009;合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009【正文语种】中文【中图分类】TH133.40 引言近年来，许多国外研究学者对磁力联轴器永磁体的充磁方向进行了研究，并提出了方形、平行结构之间的磁力解析计算方法，Yonnet[1]，Fuvaev[2], Lemarquand[3]提出的基于磁极理论两块立方、平行永磁体之间的力矩计算公式是极其重要的一种，这对永磁联轴器传动转矩的计算提供了一种新的方法。
在实际工程应用中，公式计算存在很大的局限性，计算结果误差较大。
通过Maxwell对这种联轴器进行计算，分析其传动特性，可直接获得最优的传动结构参数。
1 径向、切向磁化磁联轴器的结构原理径向、切向充磁永磁联轴器的结构是一种将径向磁化的永磁联轴器和切向磁化的永磁联轴器充磁方式的一种混合设计。
「干货」永磁电机知多少？为你整理的永磁同步电机力矩控制技术全解析！
「干货」永磁电机知多少？为你整理的永磁同步电机力矩控制技术全解析！“不要走开，文末有福利”1. 2018年中国电机产业链大会·华东站——聚焦新能源汽车电机及其控制&西莫电机论坛十周年庆2.邀您加入电机行业交流群来源 | IND4汽车人“226家电机产业链企业名录+新能源汽车电机产业链分布图+第2批技术报告+第三方技术报告”持续领取中……一、什么是力矩控制永磁同步电机在汽车上的应用越来越广泛，从动力驱动到转向刹车的执行机构，都可以见到其踪影。
今天想谈谈永磁同步电机的控制。
做控制的人都知道，任何电机的控制，无非三种不同的控制目标：位置控制：想让电机转多少度它就转多少度速度控制：想让电机转多快它就转多快力矩控制：想让电机出多少力它就出多少力但无论是哪种控制目标，无非是一个闭环还是两个闭环还是三个闭环的区别，力矩控制作为最内层的环，是必不可少的。
今天就来讲讲什么是力矩控制？要控制一个电机，首先对被控对象的了解是必须的。
让我们用下面这张动图来帮助理解永磁同步电机是怎样运动起来的。
定子三相上通过互差120度的交变电压以后，在定子铁芯上可以看到产生了旋转的磁场（动图中代表磁场方向的红绿颜色逆时针旋转），在这个旋转的磁场作用下，与转子磁场产生力的作用，带动转子旋转。
电机力矩是如何产生的呢？在前文《电机的力矩、转速和功率》，我们分析过力矩与电枢（定子）电流成正比；那么电流是如何产生的呢？我们可以把电机的每一个绕组想象成一个在磁场中旋转的电阻+电感，如下面的等效电路：假设电机开环运行，当给定电机定子三相一个互差120度的电压建立起旋转磁场以后，如果这个时候没有负载，电机会飞速的转动起来（空载），直到反电势和给定电压完全相等；此时定子绕组中的电流为仍然为0，可以将定子的旋转磁场假想（虚拟/等效）成一个绕着电机轴心旋转的磁铁，假想出来的这块磁铁的南极与转子磁铁的北极轴线相重合；当转子上有了负载以后，根据牛顿运动定理，电机的转速必然会有一个减速的过程，这就意味着上述等效电路中的反电势降低，而在给定电压不变的情况下，剩下的那些电压就会在电阻中产生电流了。
调速永磁同步电动机优化设计与矢量控制系统联合仿真
• 对表贴式永磁同步电动机采用id=0控制策略时的SVPWM 矢量控制系统进行了仿真，通过 Maxwell/Rmxprt、 Simplorer 以及 Matlab/Simulink 三个软件进行联合仿 真可以更准确的检验电机设计方案的在整个控制系统中的 性能表现，同时也有助于实现控制算法的仿真设计，具有 很大的实际意义。
– g1-g6逆变器6个 IGBT的开关信号以 及负载转矩 load ， 设置为 From Simulink。
• 3.3 Simulink下的设置
– 表贴式永磁同步电动机最常见的控制方式是转子磁场定向 的矢量控制，常见的控制策略是id=0控制，电机的转子装 有编码器，用来检测电机的d轴位置与A轴之间的夹角和转 速，速度的给定值与反馈值输入转速环PI调节器，输出q轴 电流的给定值isq，isq输入到电压前馈单元计算定子电压d、 q轴分量Usd、Usq，电流环PI调节器输出值与电压前馈单 元输出值相加，再经过反Park变换后得到两相静止坐标系 下的给定值Uα、Uβ，用来实现SVPWM算法。
• 转矩与转子角度仿真结果
• 定子三相电流仿真结果
4. 全文总结
• 利用 RMxprt 中的 Optimization工具，以齿槽转矩最小 化为目标进行了最优化求解，得到了永磁电机齿槽转矩最 小时的设计方案，这一过程十分便捷， Optimization 工 具在电机的优化设计中具有非常大实际价值；
L(PhaseC,PhaseC) Setup1 : Transient
-0.4876 3.1521 -0.4812 -0.4841 -0.4812 3.1669
内置式永磁同步电机齿槽转矩优化方法分析 金云川
内置式永磁同步电机齿槽转矩优化方法分析金云川发表时间：2018-06-12T10:11:52.547Z 来源：《电力设备》2018年第5期作者：金云川[导读] 摘要：针对内置式永磁同步电机存在的齿槽转矩问题，根据一台250W空调用永磁同步电机，本文分析了齿槽转矩产生原因，基于能量法和傅里叶分解法分析了齿槽转矩的表达式，并基于此公式推导出齿槽转矩的优化方法。
（卧龙电气集团浙江绍兴 312300）摘要：针对内置式永磁同步电机存在的齿槽转矩问题，根据一台250W空调用永磁同步电机，本文分析了齿槽转矩产生原因，基于能量法和傅里叶分解法分析了齿槽转矩的表达式，并基于此公式推导出齿槽转矩的优化方法。
对一台内置切向式永磁同步电机，通过有限元解析，将优化后电机的齿槽转矩与优化前进行了对比，证明所提出方法是有效的。
关键词：内置式永磁同步电机；齿槽转矩；优化方法引言近年来，随着国家节能减排的要求，永磁同步电机越来越多的应用于家用及商用空调领域。
而内置式永磁同步电机具有高功率密度，高效率和更宽广的恒功率转速范围等优点，逐渐成为空调电机的发展方向。
但内置式永磁同步电机同样具有更大的齿槽转矩和转矩波动。
齿槽转矩是由永磁体与定子齿相互作用产生的，会影响电机控制的精度，并且会导致振动和噪声，影响空调的舒适性。
1、永磁同步电机齿槽转矩原理由表达式可以看出齿槽转矩同定子齿槽结构等相关，同时与磁通的平方成正比，适当减低磁通密度可以降低齿槽转矩，但是降低磁通密度带来的主要影响是电机性能的降低，因此减小dR/dθ是抑制齿槽转矩的有效办法。
齿槽转矩在电机旋转时主要表现为转矩脉动，虽然其对电磁平均转矩没有明显影响，但是对速度波动、电机振动和噪音有明显的影响，试验表明：只有Br（θ）的nz/2p次谐波分量对齿槽转矩产生作用，其他谐波分量对齿槽转矩基本无影响，针对此，采用常见方法如下所示。
2、永磁同步电机齿槽转矩优化方法 2.1、齿槽转矩的优化从上述理论分析可知，齿槽转矩主要有气隙磁导和气隙磁密的傅里叶分解系数产生的影响，气隙磁导角度减弱齿槽转矩的方法主要有斜槽、不等气隙、改变槽口宽度等，气隙磁密角度可以采取极弧系数优化、不等厚永磁体等方法减小齿槽转矩，对于分数槽电机，还可以通过槽数和极数的配合改善齿槽转矩。
力矩电机控制系统设计
力矩电机控制系统一、设计目的及任务力矩电机分直流力矩电机和交流力矩电机，其工作原理和普通直流和交流电机的工作原理是一样的。
但是不同的是直流力矩电机的电枢绕组的电阻比普通直流电机的电枢绕组的电阻大，同样交流力矩电机转子的电阻比普通交流电机的转子电阻大。
对于力矩电机我们注重它的技术参数主要是额定堵转电压，额定堵转电流和额定堵转电流下的堵转时间。
力矩电机的特点是具有软的机械特性，可以堵转。
当负载转矩增大时能自动降低转速，同时加大输出转矩。
当负载转矩为一定值时改变电机端电压便可调速，但转速的调整率不好。
因而在电机轴上加一测速装置，配上控制器，利用测速装置输出的电压和控制器给定的电压相比，来自动调节电机的端电压，使电机稳定。
设计任务就是要设计一个控制系统来控制力矩电机，使其产生满足要求的力矩。
1、能产生所要求的力矩，可用于一些地面模拟设备上，用来模拟设备运行时的干扰力矩；2、可用于控制系统设计课程实验设备或是控制算法的验证。
二、设计要求本系统为力矩电机的控制系统，设计要求如下：1、可以产生三种固定的力矩波形；2、可以根据要求任意设定力矩波形，这样可以大大增加系统的灵活性；3、可以实现单片机和PC的相互传输；4、控制精度高，响应快；5、力求简单，实用。
三、设计方案系统的装置由光电码盘，稀土永磁直流力矩电机和飞轮组成。
在控制器的设计上，为了做到简单、实用，选择了常用的PID控制；为了提高系统的控制精度，从软件上对系统进行误差补偿。
1、系统工作原理通过控制向力矩电机施加的电流，向飞轮施加力矩，使飞轮加速后减速旋转，反作用力矩通过模拟器机械装置的底座同时施加到连接的转台上，达到向状态施加力矩的作用，全部过程再闭环控制下进行。
系统总体框图如图1所示：图1. 系统总体框图2、控制系统描述电机转动的角度经光电码盘检测转化为脉冲输出，对脉冲信号进行计算就得到角度转动的累计值，控制计算机将指令与光电码盘输出的角度信号相比较，得到误差信号，计算机将误差信号按照控制算法后，经D/A输出并经功率放大后转换成驱动电流施加到力矩电机上，电机按输入信号要求驱动负载转动。
一种优化高速永磁同步电机齿槽转矩的方法
一种优化高速永磁同步电机齿槽转矩的方法随着经济的快速增长，结合建设经济节约型社会的要求，对电机及其驱动系统提出的要求越来越高。
高速永磁同步电机具有体积小、转速快和功率密度大等优点，所以，被广泛应用。
但是，在永磁同步电机中，由于永磁体与电枢铁心之间相互作用，不可避免地产生了齿槽转矩，导致电机转矩波动大，控制精度降低。
因此，齿槽转矩作为高性能永磁电机设计和制造中必须考虑和解决的关键问题，它的有效优化有助于提高永磁电机的控制精度。
永磁同步发电机的齿槽转矩与很多因素有关，例如永磁磁极参数、电枢参数、电枢槽数和极数。
通过改变磁极的极弧系数，采用不等厚的永磁体，磁极偏移、斜极，磁极分段，改变槽口宽度，改变齿的形状、斜槽、开辅助槽，选择合理的槽数等都可以改变电机的齿槽转矩。
文献[1]分析了谐波对齿槽转矩的影响，采用定子叠片叠加的方式改变了气隙磁密，从而减小齿槽转矩；文献[2]从齿槽转矩的表达式出发，分析了隔磁桥形状对齿槽转矩的影响，明确适当改变隔磁桥可以显著减小齿槽转矩；文献[3]将解析法与有限元法相结合，计算出了槽口宽度对内置式永磁电机齿槽转矩的影响。
这些文献大部分都是从定子或者永磁体着手来减小齿槽转矩的，改变转子结构的文献不多。
本文以齿槽转矩产生的原理为基础，分析了气隙磁密对齿槽转矩的影响，通过解析计算，设想在转子处开槽，以达到减小电机齿槽转矩的目的。
通过有限元分析软件，对槽口大小和深度进行仿真分析，验证结果证实了此方法是可行的。
1 齿槽转矩的解析表达式齿槽转矩是永磁电机绕组不通电的情况下永磁体与铁心之间相互作用而产生的转矩，是由永磁体与电枢齿之间的相互作用力的切向分量引起的。
数学表达式为：对于齿槽转矩，也可以说是在电机不通电的情况下，磁场能量W对定转子相对位置角的负导数。
在电机中，因为定子和转子的磁导率都很大，所以，电机中的大部分能量几乎都存储在气隙中，即：从式（2）中可以看出，电机储能与气隙磁密相关。
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第28卷第6期1998年11月
东 南 大 学 学 报
JOURNAL OF SOU THEAST UN IV ERSIT Y
Vol 128No 16
Nov.1998
永磁式力矩器的优化设计Ξ
张燕娥
(东南大学仪器科学与工程系,南京210096)
Ξ九五国防科技预研基金资助项目. 收稿日期:1998-05-11,修改稿收到日期:1998-07-02.
摘 要 采用复形法对船用挠性陀螺仪的永磁式力矩器进行了优化设计,使该力矩器的输出力矩比未优化值增加了61%.关键词 力矩器;复形法;优化设计中图法分类号 TH702
永磁式力矩器具有零位力矩小,线性度高,输出力矩较大等优点.在船用挠性陀螺仪中得到了广泛应用.但对于要求仪表精度和跟踪速度较高的应用场合,该陀螺仪的力矩器应具有在不增加仪表体积、不降低仪表精度条件下输出力矩最大的性能.为此,采用复形法对其进行优化设计.
1 优化设计的数学模型
1.1 目标函数
选择永磁式力矩器的电磁力矩作为优化的目标函数,通电线圈在磁场中受力产生的电磁力矩为
M =4WB δr 2
cp I sin β (N ・m )
(1)
式中,β为线圈有效边平均长度1/2所对的圆心角,由图1、图2知β=(01013+x n )/(010247
+δ
);X n 为线包宽度,m ;δ为力矩器工作气隙,m ;I 为力矩器线圈工作电流,A ;r cp 为线圈中心到驱动轴中心之间的距离,m .由图3知,r cp =(010247+δ
)/2(m );W 为线圈匝数;B δ为工作气隙磁感应强度,T .
钐钴2∶17GYRM 228B1的退磁曲线近似为一根直线,其斜率为tan α′
=1121.
考虑到稳磁处理后,气隙磁感应强度通常将下降20%,在高斯单位制中μ0=1,则气隙磁感应强度B δ为
B δ=0.856l m /(σ
S δl m )+1.216f
δy i
(T )(2)
式中,σ为漏磁系数,σ=(G δ+G 1+G 2+G 3+G 4+G 5)/(G δ+G 5);f 为磁阻系数,取f =
1135;S m 为永磁体平均截面积,m 2,S m =(0.0301+δ
)πl m ;l m 为永磁体宽度,m ;S δ为工作气
图1 线包结构示意 图2
单个线包展开图
图3 力矩器气隙与磁路
隙平均截面积,m 2,S δ=(010247+δ)πl m .
由图3得各气隙磁导为[1]
G δ=μ02
πl m /ln (1+0.08δ) (Wb/A )(3) G 1=G 2=μ0×0.52(0.0247+δ
)π (Wb/A )(4) G 3=μ0(ab/δ3+a +b +1.23δ3) (Wb/A )
(5) G 4=μ0π(d 2c 1-d 2
c 2)/(4δ4) (Wb/A )
(6)
651东南大学学报第28卷
G 5=(μ02l 5/π)ln (1+m/δ5) (Wb/A )
(7)
式中,a =0.0054-δ,b =(0.0301+δ)π,δ3=0.002,d c 1=0.0351,d c 2=0.029,
δ4=0.00305,l 5=π(0.0247+0.029)/2,m =0.0012,δ5=0.0013,得
σ=1+
0.53908-33.393δ+1570δ2
[2
πl m /ln (1+0.08δ)]+0.03512(8)M =0.856sin [(0.013+X n )/(0.0247+δ
)](0.0247+δ)2IW l m 0.5742-33.39δ-1570δ2
+[6.28l m /ln (1+0.08δ
)][6.28l m /ln (1+0.08δ)]+0.035120.0247+δ0.0301+δl m
+1.64δ (N ・m )(9)
112 设计变量
选择l m 、δ、I 、
ω和X n 为设计变量,即记为X (1)=l m ,X (2)=δ,X (3)=I ,X (4)=ω,X (5)=X n ,则目标函数为M [X (1),X (2),X (3),X (4),X (5)].
2 约束条件
2.1 性能约束
温升限制 耐高温聚酰亚胺漆包圆铜线能承受200℃高温。
若环境温度最高为50℃,则允许最大温升Q max ≤150℃,即
Q max =I 2max R/(S ′
δ
ηK 2)≤150℃式中,导线总电阻R =[(0.032+4X n )ω×0.0175]/7.85,Ω;线圈散热面积S ′δ=4X 2
n +0.
04X n +6.4×10-5,m 2;取散热系数η=13W/(m 2・℃
);陶瓷骨架修正系数K 2=1.5;则 g (1)=22962[4X 2(5)+0.04X (5)+6.4×10-5]-0.0175X 2(3)X (4)[0.032+4X (5)]≥0
(10)
标度因数 若标度因数K L ≥0.0127N ・m/A ,即根据K L =M /I ≥0.0127N ・m/A ,得
g (2)=M [X (1),X (2),X (3),X (4),X (5)]
X (3)
-0.0127≥0
(11)
212 边界约束
线包宽度限制 由图1、图2知,线包宽度小于贴线包处骨架周长的1/4,线包间留014×10-3m 间隙,则
g (3)=0.006+0.785X (2)-2X (5)≥0
(12)
窗口截面积限制 由图2所示,线圈宽度和厚度分别为X n 和Y n ,导线直径为d ,填充系
数为f K ,则Y n =(0.66×10-3～0.8×10-3)(m ),d =0.1×10-3(m ),f
K
=0.552,得
g (4)=X (4)-4639X (5)≥0
(13)g (5)=5623X (5)-X (4)≥0
(14)
永磁体宽度和工作气隙的限制 受结构尺寸限制,取永磁体宽度l m 和工作气隙δ分别为0.003≤l m ≤0.004,0.0017≤δ≤0.002,则
7
51第6期 张燕娥:永磁式力矩器的优化设计
851东南大学学报第28卷
g(6)=X(1)-0.003≥0(15) g(7)=0.004-X(1)≥0(16) g(8)=X(2)-0.0017≥0(17) g(9)=0.002-X(2)≥0(18)
3 优化设计
优化方法很多,但复形法程序简单,结果可靠,收敛较快,精度较高,容易掌握,适用于求解约束非线性优化设计,所以本文采用复形法进行优化设计[2].
利用计算机对式(9)～(18)进行计算,得优化值与未优化值如表1所示.
表1 优化前后的设计变量和目标函数值
优化前后X(1)/mm X(2)/mm X(3)/mA X(4)/匝X(5)/mm M/mN・m
未优化值31611915017031521425
优化值3199117116815206316631902
4 结 论
1)对于要求仪表精度和跟踪速度较高的应用场合,研究如何优化永磁式力矩器参数,在不增加仪表体积、不降低仪表精度条件下,使该力矩器输出力矩最大是很有实用价值的.
2)采用复形法对永磁式力矩器进行优化设计,十分方便而有效.由表1可见,优化后的力矩器输出力矩比未优化时提高了61%.
参考文献
1 南京航空学院《陀螺电气元件》编写组.陀螺电气元件.北京:国防工业出版社,1981.11～18
2 何献忠,刘玉桐,金小海编著.优化技术及应用.北京:北京工业学院出版社,1988.22～49
Optimum Design of the Perm anent2Magnet Torquer
Zhang Yan’e
(Department of Instrument Science and Engineering,Southeast University,Nanjing210096)
Abstract: The complex method is used in this paper to optimize the permanent2magnet torquer of a dynamically tuned gyro(D TG)which is used in ship.It makes an output moment of the tor2 quer increase by61%over an unoptimization value.
K ey w ords: torquer;complex method;optimum design。