CN116029061A - 一种Halbach阵列的筒式永磁调速器多目标参数优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Halbach阵列的筒式永磁调速器多目标参数优化设计，包括：根据已有结构参数构建几何模型；确定体积、涡流损耗及轴向力设计最小目标函数及惩罚函数的总目标函数；对永磁调速器设置相关变量及约束条件，确定最终优化结果值；对优化后的新参数结构模型进行电磁仿真确定导体的涡流损耗数据；对新参数结构模型进行多物理场分析将电磁仿真下新参数结构导入到温度场以判断确定最终参数下结构的性能；在多物理场中将电磁场求得涡流损耗作为温度场的热载荷并设定边界条件，确定散热系数。本发明利用惩罚函数确定新结构，并利用多物理场耦合对新结构进行电磁及发热性能方面评估，优化永磁调速器的设计，使得结构尺寸更小，转矩传递效率更大。

Description

一种Halbach阵列的筒式永磁调速器多目标参数优化设计方法

技术领域

本发明涉及永磁调速器设计技术领域，具体涉及一种Halbach阵列的筒式永磁调速器多目标参数优化设计方法。

背景技术

现有的永磁调速器主要有筒形永磁调速器永磁调速器永磁调速器和盘式永磁调速器，其中筒形耦合器靠调节永磁转子与导体转子在轴向上的相对位置，来改变永磁转子和导体转子之间的耦合部分，进而调节转矩，这种结构设计尺寸较大容易给现场安装带来各种不便，且大结构下振动大、容易损坏轴承等零件、设备的可靠性不好。这都导致在一些空间受限的地方难以使用。

针对上述问题，需要针对性的进行结构参数的多目标优化，减小结构尺寸且同时为防止永磁体温度过高造成的退磁从而导致影响整体运行的效率，严重可能导致永磁体的失效，需要对新参数结构的永磁体温度进行仿真确保永磁体温度在居里温度内。

发明内容

发明目的：针对背景技术中指出的问题，本发明提供一种Halbach阵列的筒式永磁调速器多目标参数优化设计方法，可以优化结构尺寸并提升所传递的转矩，并在最后对新参数进行电磁-热耦合分析，确定设计参数的稳定性和可靠性。

技术方案：本发明提供一种Halbach阵列的筒式永磁调速器多目标参数优化设计方法，包括如下步骤：

步骤1：根据已有永磁调速器结构参数构建几何模型；

步骤2：确定体积、涡流损耗及轴向力设计最小目标函数及惩罚函数的总目标函数；

步骤3：对永磁调速器设置相关变量及约束条件，根据步骤2总目标函数确定最终优化结果值，所述相关变量确定为导体筒厚度、导体厚度、气隙厚度；

步骤4：对优化后的新参数结构模型进行电磁仿真确定导体的涡流损耗数据；

步骤5：对新参数结构模型进行多物理场分析将电磁仿真下新参数结构导入到温度场以判断确定最终参数下结构的性能；

步骤6：在多物理场中将电磁场求得涡流损耗作为温度场的热载荷并设定边界条件，确定散热系数。

进一步地，所述步骤1中永磁调速器结构具体包括永磁筒、导体、永磁体、导体筒和气隙；永磁调速器安装在电机及负载之间，其中导体组件包括导体和导体筒，连接电机侧；永磁组件包括永磁体和永磁筒，其中永磁体镶嵌在永磁筒内并连接负载侧，永磁组件与负载之间无刚性接触。

进一步地，所述步骤2中目标函数如下：

体积最小目标函数为：

其中，d为永磁体平均直径；p为导体筒轴向尺寸；

涡流损耗最小目标函数为：

其中，n为相对转速，960r/min；n_p为极对数；

轴向力最小目标函数：

其中B磁场强度；H磁场强度；K时序数；μ相对磁导率

惩罚函数总函数为：

其中，a_j为惩罚因子，由设计目标权衡给出；

进一步地，所述步骤3选择相关变量为气隙平均直径d、导体尺寸p'，导体筒尺寸p。

进一步地，所述步骤4设置的约束条件包括：

转矩约束：

永磁块干涉约束：

2·arctan(10.45/n_p)≤2π/s

导体筒的强度约束：

导体筒刚度约束：

其中，I_p为导体筒惯性矩；T转矩；[τ]为导体筒切应力，取45Mpa；

许用扭转角，

取1°/m。

进一步地，所述步骤6中各接触面散热系数计算方法为：

运动物体的空气自然对流散热与空气初始温度、相对流速、物体表面积有关，其表面空气散热系数可以按下式进行修正：

式中h为修正空气散热系数；h₀为热源表面在静止空气散热系数；k为空气吹拂效率系数；h₀取值为14W/m²·k，k值可取值为1.3(s/m)^1/2。

进一步地，永磁体端面采用平均散热系数。

有益效果：

本发明公开的Halbach阵列的筒式永磁调速器多目标参数优化设计方法，由于以往的设计方案仅对永磁调速器进行电磁场的考虑，电磁方案最优但最终方案永磁体的温升不一定满足要求，根据涡流效应发热的原理，采用电磁-热耦合分析的仿真模拟，可以综合考虑最终设计方案的稳定性以及可靠性从而最终判断设计方案的合理性，帮助改进永磁调速器的产品设计提高产品质量。

附图说明

图1为本发明中实施技术核心步骤图；

图2优化前后转矩随时间关系对比图；

图3优化后永磁体工作温度仿真图；

图4永磁调速器结构。

1、导体筒，2、导体，3、气隙，4、永磁体，5、永磁体筒。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明实施例的Halbach阵列永磁调速器的多目标优化的流程示意图，下面将结合实例及附图进一步阐述。

步骤1、根据表1中的参数利用电磁场建立一个永磁调速器结构原模型。

表1永磁调速器的二维模型参数

名称	内径(mm)	外径(mm)	极数
				气隙	245	250	-
导体	250	256	-
				导体筒	256	269	-

永磁调速器结构具体包括永磁筒5、导体2、永磁体4、导体筒1和气隙3；永磁调速器安装在电机及负载之间，其中导体组件包括导体2和导体筒1，连接电机侧；永磁组件包括永磁体4和永磁筒5，其中永磁体4镶嵌在永磁筒5内并连接负载侧，永磁组件与负载之间无刚性接触。

步骤2：确定以目标函数来确定最终优化结果值，选取永磁调速器体积最小、涡流损耗最小以及轴向力最小作为分析结果并建立惩罚函数总目标函数，设立惩罚因子对目标添加权重。

体积最小目标函数为：

其中，d为永磁体平均直径；p为导体筒轴向尺寸；

涡流损耗最小目标函数为：

其中，n为相对转速，960r/min；n_p为极对数；

轴向力最小目标函数：

其中B磁场强度；H磁场强度；K时序数；μ相对磁导率

惩罚函数总函数为：

其中，a_j为惩罚因子，由设计目标权衡给出；

步骤3：确定本次变量选取选择气隙平均直径、导体尺寸、导体筒尺寸作为本次案例的优化目标参数。

步骤4：确定约束条件，约束条件包括：

转矩约束：

永磁块干涉约束：

2·arctan(10.45/n_p)≤2π/s

导体筒的强度约束：

导体筒刚度约束：

其中，I_p为导体筒惯性矩；T转矩；[τ]为导体筒切应力，取45Mpa；

许用扭转角，取1°/m。

在进行优化时约束永磁调速器的传递转矩在不低于1000N.m；确保永磁体在永磁体轭铁上均匀圆周分布时不产生相互之间干涉影响；在运转时导体筒的强度以及刚度满足需求，得到优化后结构参数。

表2优化后结构参数

名称	内径(mm)	外径(mm)
			气隙	245	248
导体	248	254
			导体筒	254	259

分析新参数下结构与原模型结构的转矩随时间变化情况如图2，可以看出优化后的结构相比优化前的转矩提升了约15％。

步骤5：对新参数下的永磁调速器进行电磁场的仿真得到涡流损耗。

步骤6：对新参数结构模型进行多物理场分析，具体耦合信息流向如图3所示。可以看出将步骤5电磁场分析出的导体涡流损耗作为热源导入到温度场作为初始设置，进而进行耦合分析。

步骤7：进行多物理场分析确定最终参数下结构的性能，首先对散热系数进行确定，运动物体的空气自然对流散热与空气初始温度、相对流速、物体表面积有关，其表面空气散热系数可以按下式进行修正。

式中h为修正空气散热系数(W/m²·k)；h₀为热源表面在静止空气散热系数(W/m²·k)；k为空气吹拂效率系数(s/m)^1/2；其中，h₀取值为14W/m²·k，k值可取值为1.3(s/m)^1/2。

由上式可推出有限元模型各部件与表面空气的热对流系数，其中永磁体端面由于各处线速度不同，因此采用平均散热系数。

本实例中导体筒的散热系数为32W/m²·k；永磁体轭铁散热系数为50W/m²·k；永磁体端面散热系数取41W/m²·k。

将上述步骤5仿真得到的导体涡流热计算结果导入温度场作为热源载荷进行磁热耦合分析，即可得到永磁体的温度分布图，如图3所示可以看出永磁体最高温度主要集中在中间并向两边递减且最大温度未超过居里温度，证明本次多目标参数的优化结果具有的可靠性。

虽然本发明所揭露的实施方法如上，但所述内容只是为了便于理解本发明的实施方式，并非限用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍需以所依附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种Halbach阵列的筒式永磁调速器多目标参数优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据已有永磁调速器结构参数构建几何模型；

步骤2：确定体积、涡流损耗及轴向力设计最小目标函数及惩罚函数的总目标函数；

步骤3：对永磁调速器设置相关变量及约束条件，根据步骤2总目标函数确定最终优化结果值，所述相关变量确定为导体筒厚度、导体厚度、气隙厚度；

步骤4：对优化后的新参数结构模型进行电磁仿真确定导体的涡流损耗数据；

步骤5：对新参数结构模型进行多物理场分析将电磁仿真下新参数结构导入到温度场以判断确定最终参数下结构的性能；

步骤6：在多物理场中将电磁场求得涡流损耗作为温度场的热载荷并设定边界条件，确定散热系数。

2.根据权利要求1所述的Halbach阵列的筒式永磁调速器多目标参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤1中永磁调速器结构具体包括永磁筒(5)、导体(2)、永磁体(4)、导体筒(1)和气隙(3)；所述永磁调速器安装在电机及负载之间，其中导体组件包括导体(2)和导体筒(1)，连接电机侧；永磁组件包括永磁体(4)和永磁筒(5)，其中永磁体(4)镶嵌在永磁筒(5)内并连接负载侧，永磁组件与负载之间无刚性接触。

3.根据权利要求1所述的Halbach阵列的筒式永磁调速器多目标参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤2中目标函数如下：

体积最小目标函数为：

其中，d为永磁体平均直径；p为导体筒轴向尺寸；

涡流损耗最小目标函数为：

其中，n为相对转速，960r/min；n_p为极对数；

轴向力最小目标函数：

其中B磁场强度；H磁场强度；K时序数；μ相对磁导率

惩罚函数总函数为：

其中，a_j为惩罚因子，由设计目标权衡给出；

4.根据权利要求1所述的Halbach阵列的筒式永磁调速器多目标参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤3选择相关变量为气隙(3)平均直径d、导体(2)尺寸p'，导体筒(1)尺寸p。

5.根据权利要求1所述的Halbach阵列的筒式永磁调速器多目标参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤4设置的约束条件包括：

转矩约束：

永磁块干涉约束：

2·arctan(10.45/n_p)≤2π/s

导体筒的强度约束：

导体筒刚度约束：

其中，I_p为导体筒惯性矩；T转矩；[τ]为导体筒切应力，取45Mpa；许用扭转角，取1°/m。

6.根据权利要求1所述的Halbach阵列的筒式永磁调速器多目标参数优化设计方法，其特征在于，所述步骤6中各接触面散热系数计算方法为：

运动物体的空气自然对流散热与空气初始温度、相对流速、物体表面积有关，其表面空气散热系数可以按下式进行修正：

式中h为修正空气散热系数；h₀为热源表面在静止空气散热系数；k为空气吹拂效率系数；h₀取值为14W/m²·k，k值可取值为1.3(s/m)^1/2。

7.根据权利要求5所述的Halbach阵列的筒式永磁调速器多目标参数优化设计方法，其特征在于，永磁体端面采用平均散热系数。

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