第54卷第5期2021年5月
Vol.54.No.5
MICROMOTORS
沈舒楠，朱規秋
(江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013)
摘要：为解决飞轮储能用电机齿槽转矩大，高速运行时铁心损耗高的问题，提出一种外转子无铁心无轴承永磁同步电机。首述了外转子无铁心无轴承永磁同步电机的基本工作原理，然后给出了电机的基本，接Tayuchi法以平均转矩、平悬浮力、转矩脉动和悬浮力脉动为评价化了极、永磁度、气隙长度和转子厚度，接通过有真对比了优化前后电机的变化。仿真果显示，优化后的平均转矩和平均悬浮力分别提高了15.7%和8.44%，转矩脉动和悬浮力脉动分别降低了0.65%和1.83%。最后，通过实验证明了优化后电机能够稳定运行并且相的有铁心电机运行稳定性更好。 爱情不买单 丁酉酉关键词：无轴承永磁同步电机；无铁心；外转子&Tayuchi法
中图分类号：TM351；TM341文献标志码：A文章编号：1001-6848(2021)05-0020-07
Optimization Design of Outer Rotor Coreless Bearingless Permanent
Magnet Synchronous Motor
SHEN Shunan，ZHU Huangqiu
(School of Electrical and Information Engineering of Jiangsu University，Zhejiang Jiangsu212013，China) Abstract:Cn order to solve the problem of high cogging torque and high core loss in high speed operation of flywheel eneray storage electric machine，a kind of outea rotoa coreless beaangless permanent maynet synchronous motor(ORCBPMSM)was proposed.FirstVy，tie basic structure and working principVe of the proposed motoo was expounded，then the basic design parametero of the motoo were given.Then，the Taguchi method was used to optimize the polao are coefficient，permanent maand thickness，ait gap length and rotoo thicknes with the evaluation criterig of average torque，average suspension forcc，torque ripple and suspension forcc C pp O.After that，the change of motor performancc before and after optimization was compared by finite
element simulation.The simulation results show tUat the optimized average torque and average suspension forcc increass by15.7%and2.78%，re s pec t iveey，and the torque rippk and suspension forcc rippk dec r eass by15.2%and3.22%，aspectiyely.Finally,experiments show that the optimized motoe cn run stabey and is better than the tiaditiona core motor.
Key words:beeringes s permanent magner synchronous motor(BPMSM)；coreless;outer rotor；Taguchomethod
o引言
飞轮储型高效的储能技术，它有储能密度高，电迅速，寿命长，无污染等特(1-)%电机是飞轮储的“心脏”，其的坏直接决的％为飞轮储
单位体积储能增大，，效率，驱动电机正朝着功率密度更高，损耗更低的方向发展。
的飞轮储常磁悬浮轴承支承，能够转子的无摩擦，造成，积庞大。无轴承永磁电机具有无摩擦、无磨损、无污染、精寿命长等，与磁轴承支承的电机相比，无轴承电机有紧凑，体积小的优势，飞轮储(5-)%然，无
收稿日期：2020—07—17，修回日期：2020—09—11
基金项目：国家自然科学基金(61973144)，重研发计划(BE2016150)。
作者简介：沈舒楠(1995)，男，硕士研究生，研究方向为永磁电机本体设计。
朱烷秋(1964)，男，教授，研究方向为无轴承电机和磁轴承结构和控制。
5期沈舒楠等：外转子无铁心无轴承永磁同步电机参数优化设计・21・
轴承永磁同步电机在高速下运行定子铁心损耗很高，永磁心槽的相不可避免的产生了齿槽转矩，增大了转矩脉动。无铁心永磁电机的定消了导磁的，磁制成，完消除了齿槽转矩的铁心，非常
(9呵%
将无轴承电机与无铁心永磁电机的诸多优点相加以的少。[11-12]提出转子无铁心电机，永磁Halbach阵列排布，相较于传统径向磁化的永磁体，HCbch永磁阵列有 的磁密正弦度，的磁密以及的转矩密度，这永磁，加工难度较大，成本％[13-14]提出了双转无铁心永磁电机，其位转子，侧永磁表得磁穿过
形成回路，这有转矩密度气隙磁通密度少转矩脉动，转的永磁体相产生的吸引转子旋转产生的离心力对转强度的了很大的考验。[15]提出了无铁心无轴承永磁电机，电机率是0.7kW，并对度和永磁度分化以达到最大转矩和最大径向承
，单的优化方法未电机：之的相互制约％
本文针对飞轮储电机效率高，转矩密度高，空低的要求，提出了转子无铁心无轴承永磁同步电机，并针对电机的基本结构分析其工作原理，给出了电机的主要％为解决电机气隙磁密低，空的问题，提出Tayuchi法优化关键，通过仿真对比分析优化前后的转矩，悬浮力以及气隙磁密波形，得到电机的电磁得到显著的提升的结论，最通过了电机的合理性以及优化方案的％
1转子无无铁心永磁同步电机基本结构与工作原理
1.1电机基本结构
本文提出一种外转子无轴承无铁心永磁同步电机，其本图1所示。该电机的主要机强度的外转子，J硼永磁体，无心，以及嵌槽内的转矩悬浮成。无铁心磁塑料、环氧树脂制成，有无齿槽转矩，无心的％转的0.5mm硅钢片叠压而成，永磁体采用瓦片式结构表贴于转子内侧。槽内嵌有两套，外侧为转矩产生电磁转矩，内侧为悬浮
产生径向悬浮力％
图1外转子无铁心无轴承永磁同步电机基本结构
1.2径向悬浮力产生原理
无轴承电机径向悬浮力产生的前提条件是：
(1)转矩绕组极对数2m和悬浮极对数2满足2m"b±1；
(2)两套通入电流的频率相等。
图2径向悬浮力产生原理
本提出的转无心无轴承永磁同电机转矩绕组极对数2m"2，悬浮力绕组极对数2b"1，永磁表，向悬浮产生的原理类似表无轴承永磁同步电机。为化分析过程，将套三相经CLARK变换转化成两相，如图2所示，图中N'd和N's分表示转矩绕组，N bf和N bs分别表示悬浮％当转矩通入电流时，产生的四极磁通(m呈对，此时无法产生径向力％当悬浮通入电流时，产生的两
极磁通(b打破了原磁场的平衡，由于(M和(B在右侧方向相同，在左侧方向相反，沿X轴正向磁增强沿％轴负向磁小，此时转子受到磁场增强侧即沿X轴负向的径向力％同理 ，当悬浮力中通入反方向的电流时可以产生沿X轴正向的向力。若要产生沿y轴方向的径向需要在另一相悬浮中通入的电流即可。述，当悬浮的两相通入的电流时可以产生任意方向的径向力
％
-22・
齿槽转矩徽电机
54卷
2电机的初始参数设计
本文的设计目标为一台额定功率2kW ，额定转
速30000 r/min 的 转子无铁心无轴承永磁同步电
机，由基本尺寸和电磁负荷 的关 ：
D 1 二 6
^(1)2 a^DAP d '丿
式中，Y 为电枢直径，l m 为电枢计算长度，n 为电
机额定转速，2为电机额定功率，"为计算极弧系
数，D 为气隙常数,D 为
,A 为电负荷,
＜为气隙磁密幅值。
电机气隙磁密的大小可表示为
式中,O m0为永磁体空载工作点假定值，＜r 为计算
剩磁密度，L m 为永磁体轴向长度，O 为永磁体宽 度，“为极距,,0表示空载漏磁 %
将式(2)代入式(1)中，电枢
表示为
D
二 / $5
槡 DpAb'm0 m O m n
电枢直径与转子内径的关系式为
Y =D+2 (5+d )式中，D ，为转子内径，d 为永磁 度。
本设计要求，电机的初始参数可如表1
所示。
(3)
(4)
表1无铁心无轴承永磁同步电机主要参数
参数参数值额定功率2/kW
2
额定转速/( r/min )30000
转子外径D/mm
148转子内径DPmm 126气隙长度8/mm
2
永磁体厚度d/mm 8转矩绕组极对数A 2
悬浮力绕组极对数A
1
极弧系数"
0.78
3电机参数优化
3.1优化变量选取
无铁心永磁同步电机的
消了 ，导
磁的 ， 磁 制成，气隙磁密的大小难以 ， 相同条件下无铁心电机的功率
密度和转矩密度均低
永磁电机，为了提高磁
密大小，改电机 电磁 ，本对电
机转子厚度l ，永磁
度d ，极弧系数"，气隙长
度5作为关键
化，如图3所示。
极弧系数是指每极永磁体弧长与极距的比值,
图3中"表示每块永磁 包围的角度，对的4极永磁体极
"与"之间的关系有"二
"4，极 与气隙磁密
的关 图4
所示。
0.6 ---------------------------------------------------------°------------------------------------------------------0.33 0.44 0.56 0.67 0.78 0.89 1
极弧系数孙
图4极弧系数与磁密幅值的关系
由图4 ，极 0.67 1时气隙磁密
幅值波动最大， 0.89时取得最大值，卩
化 0.67
1 %
3. 1. 2转子厚度
飞轮转
接电机外转子相接，电机外转子的
寸的
需要在满
时转子机械强度的
条件 化电磁 ％转 度过低会使得 速
机械强度不足，发生 坏；转 度过高会
引起转子Y 部漏磁过大。在满 机械强度的条件下,
转 度与气隙磁密 的关 图5所示。
图5转子厚度与磁密幅值的关系
由图6 ，当转 度大于13 mm 时，
气隙
5期沈舒楠等：外转子无铁心无轴承永磁同步电机参数优化设计
・23・
磁密幅值几乎不发生变化，因此由转子厚度的初始
化范围为9 mm 至15 mm 。
3. 1. 3 永磁体厚度
无轴承永磁同步电机的气隙磁场主要由永磁体
产生，永磁体的大小和形状会对气隙磁密的 【和
波形产生直接的影响。当 改变永磁 度时，气
隙磁密幅值的变化如图6所示。
图6永磁体厚度与磁密幅值的关系
可以看出，当永磁 度大于8. 5 mm 时，磁密 幅值趋于平稳， 永磁 度的优化 7
mm 8.5 mm 。3.1.4 气隙长度
永磁电机的气隙长度是影响制造成本
的
重要
，其与气隙磁密 的关 '如
图7表@。
图7气隙长度与磁密幅值的关系
图7 ，随气隙长度的增大，磁变长，气隙磁密幅值呈
趋势，
通过减小气隙长
表3
度增加磁密幅值，但是由于过小的气隙长度会引起
电机装配问题，
工艺要求的前提下，E
气隙 度的 化
1.5 mm 3 mm 。
3・ 2 Tayuchi 法
Tayuchi 法是一种局部多目标优化方法，相较于
全局优化方法，
法最大的 单高效，对
四
水平四变量的试验，巧
需要44 —256次试验，
试 需
要16次，大大缩减了试验次数(16-7)。
根据 的优化变量及其 ，确定因子水平
为4的L (44)正交表，如表2所示。
表2各变量及因子水平
wrc2011变1/m m
极限空间下载
d/m m 8/m m 因子水平1
0.6797 1.5
因子水平2
0.7811
7.52因子水平3
0.89138
2.5
水平 41
15
8.53
优化目标的 要考虑电机的输出 ，也
要 出的 ，
电机的输出转矩平
(T ye )、转矩脉动(T n )、悬浮力平 (V a )和
悬浮力脉动！V p )作为化目标，其中：
r
max min / u \ep "_ T
( 5 )1 aa F -F F b
ep"
( 6 )
1 aa
式中，T ax 、T o 和T ye 分别对 出转矩的最大值、
最小 平 ；F myx 、F mc 和F y 分 对应悬浮力 的最大 、 最小 平 。
根据表2的据
试验表， 表中
每 各变 水平出现的次 相等的，任意
中同
的数对出现的次数也是相等的，这就
了各因素的各种水平的均衡搭配。
Ansoft
MoxweH 软件对每
试验单 有 分析，所
得结果如表3所示。
正交试验及计算结果
12
34567
8910111213141516
"
p
0.670.670.670.670.780.780.780.780.890.890.890.89
1
11
1
/
/m m 1.5
2
2.5
3 1.52
2.5
3
1.5
2
2.53 1.52
2.53d/m m 77.588.5
7.578.5888.577.5
ca130
8.587.5
7/m m
911131513
15
91115
13119119
15
13
T xv/Nm
1.88
1.95
2.02 2.08 2.1 1.95 2. 18
2.12 2.26 2.33
1.98
2.03
2.28 2.04 2.08 1.94
Tp/%16.6914. 8913.2611.82 5.52 5.04 4.87 3.2716. 2614.5914.0713.7613.8116. 7312. 6912. 37
Fy/N
213. 5 257. 4 248. 1226.5276281.2 296.3 254.6324312247.2 273.4 303.4 294.4 274.1260.1
Fp/%22.914.0815.5619.2317. 2722
27.418.5122.96 20.05 27.9133.6717.0513.5514.0814.
07
・24・徽电机54卷
为分析各变量对电机某一性能的影响，Taguchi
法学的方法对数据平分析与方差
分析得到优化的最％
3.2.1
表3取每变量的每水平对真结
果的平，(7)示，其结果如表4
所示。
n
m二"D(7)
二1
中，n为试验次数；m为优化目标的平均值；D 为某一次试果。
表4各优化目标的平均值
水平下对化S的平％
表6可以看出，永磁度对平均转矩的影响最大，极对转矩脉动、平均悬浮悬浮脉动的影响较大。
表6各变量对应优化目标的方差
8g/Nm8p/%"N Vp/%平 2.0811.85271.420.02
SS(x10-4)
8ae8rip V ae F n p "p37.817.242718
s10.8 1.3155.7 2.5
d104.30.2172.4 2.4
e7.50.517.47.6
总和160.419.2772.530.5
.2.3结果分析
为了更直观的显示表5中各变量的变化对优化
接每化对应每个变量的各个水平的平，如气隙长度/在1.5时对应转矩脉动的平为目标的影响，将数据图形化表示。
2.25
2.2
2.15
(8、8m(1)+8m(5)+8m(9)+8^(13)
叫(8m)厂
(8)其所有结果如表5所示| 2.1 U 2.05
2
1.95
1.9
表5各变量不同因子水平的平均值
变水平8g/N・m8p/%Vg/N V p/%
1 1.9814.17236.417.94
2 2.09 4.6827721.3
3 2.1514.67289.226.15
4 2.0913.928314.69
1 2.1313.07279.220.05
S 2 2.0712.81286.317.42
3 2.0711.22266.421.24
4 2.0410.3253.621.37 1 1.9412.04250.521.72
d 2 2.0411.72270.219.78
3 2.1112.38280.317.65
4 2.2211.27284.520.93 1 2.0313.01269.424.38
72 2.0811.51265.719.39 I
3 2.111.4427416.74
4 2.0911.45276.519.57
api®p2Qp3咛4<5|664d]d，2I、仏Zg I4
(a)各变量不同因子水平对应转矩的平均值
16
14
12
&
>10
8
6
290
280
270
250
240
230
Qpl Qp2Cp30tp4§2§3§4d>2片<2‘3彳4
(b)各变量不同因子水平对应转矩脉动
apl®p2Qp3<5|§3dj.汕2I]仏I3"4
(c)各变量不同因子水平对应悬浮力的平均值
3.2.2方差分析28
表4中各优化的平表5中各变量对应不同水平化的平，可以得到各变量对优化的影响比重，公：
14
SS:1"[m R S i-m]2(9)中，SS为化的方差；M为优化的平均；S为化，为7^、8ri p、Ve：V p；为变量，为"、/、d、l；H r(S$为变量R在第
甘肃理论学刊26
24
g22
点20
18
16
14Qpl ap2Qp3otp4a§2§3§44]d3必Z]Z盘/g Z4
(d)各变量不同因子水平对应悬浮力脉动
图8各变量因子水平对优化的影响
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