基于OPERA的轴向磁通电机优化设计

  1. 有限元优化设计

作为一名电机设计工程师,研究人员或技术领导者都在寻求获得创新的设计方案突破现有的技术瓶颈。在这一深入的创新过程需要经过繁琐的分析以及昂贵的样机制造和实验流程。电机参数中微小的调整都可能对电机的性能产生实质性的影响,这导致需要制造大量的原型样机来验证在设计过程中每一步改进。 不知道电机内部的准确电磁特征,很难预测创新设计的最终运行特性如何。

今天我将向您介绍通过OPERA有限元软件捕获的轴向磁通电机场信息进行轴向电机电磁性能优化的过程。在这一过程中,使得您能够更大范围的模拟你的设计,并从概念设计实现对原型机的优化。你将能够通过OPERA完成成千上万个可能的参数变化,并且大大减少您制造原型样机的数量。

  1. 轴向磁通电机

本文涉及的轴向磁通电机与常规电机构造并不完全相同。尽管在电机设计初期,法拉第和特斯拉都曾开发过轴向磁通的原型样机,但时至今日,轴向磁通电机依然是作为径向磁通电机的第二选择方案。

轴向磁通机主要应用于一些特殊的场合,例如电机可供设计空间限制了径向拓扑结构的选择,如上图所示的轮毂牵引电机应用,轴向磁通电机提供了最好的可用空间的利用率。类似的例如新一代的可再生能源应用涡轮风机,轴向磁通电机可以去除齿轮系统,使用直接驱动提高效率。

与径向磁通电机相比,有许多原因导致了轴向磁通电机并没有获得多少应用,从本质上讲,一方面,大的轴力矩对轴承材料硬度提出了挑战,另一方面,三明治的拓扑结构对于绕组的构造产生了相应的问题。

然而,轴向磁通电机的另一大原因是其复杂模型结构很难通过类似径向电机一样的二维模型进行快速预测。 如果没有计算机的计算性能突破,使得通过三维有限元仿真成为常用的手段,要分析预测轴向电机的复杂三维磁路几乎是不可能的。

而径向磁通电机在最初阶段可以通过一个近似的二维模型进行分析。对于轴向磁通电机,可以采用的方法非常有限,他们磁通量路径非常复杂,因此设计和推广很难。今天我们将着眼于如何通过Opera-3d有限元软件改变这一切现状,让这些轴向磁通电机能够快速的建模并进行分析,从而实现快速优化设计的目的。因此, 评估和改善轴向电机变得更加容易。希望通过本次介绍能够促进更多的轴向磁通电机应用。

  1. Opera-3d有限元套件


Opera软件是基于从1960年开始在英国卢瑟福阿普尔顿实验室开发完成的一套完整的提供电磁和多重物理量模拟仿真工具发展而成。Opera最早的在1980年被命名为Vector Fields,卢瑟福阿普尔顿实验室的科学家和工程师核心团队参与了软件的开发,并提供必要的指导以确保软件总是由其主要市场的需求驱动的。


OPERA最初的开发目的是为了实现高精度物理实验室开发不易成型的系统,例如加速器,粒子的运动轨迹等。通过OPERA的设计大量的加速器或磁体被制造了出来,并且其测试的特性验证其准确的精度。这些加速器和磁体在众多科研机构(CERN、费米实验室、阿拉贡实验室等等)至今仍然运转正常


OPERA提供不同的求解器以最有效的方式实现最好的精度需求。现今,有许多通过OPERA实现的轴向磁通电机案例,如PROTEAN1和YASA2的轴向磁通电机已经形成批量的产品在全球销售。


  1. 轴向磁通电机优化设计

这是一个双定子结构,定子由两个对立的铁芯和钕铁硼永磁体构成,转子为无铁芯结构,磁钢由其角坐标确定,如下图所示

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定子轭部由一个扁的圆柱环形构成,磁钢通过在二维平面的定义其四个角的坐标形成面域后拉伸为三维形状。这四个坐标是通过电机的中心及半径,以及跨距角度来参数化定义的,这是个变量被定义为模型的维度。在OPERA中,将这些变量相互关联,当其中一个改变,使用这些变量构建的几何图形也会相应的改变。这一点与参数化的CAD构图原理一致。这一点允许OPERA很容易根据参数重建任意的模型。

最后,增加导体。对于这个三相电机共有36组导体线圈。在每个定子侧极数为12。因为模型的对称特性,可以通过对称边界条件将模型设置为1/6尺寸的模型,这样可以加速计算的效率。

模型的网状可通过自动网格算法进行剖分,并通过参数定义细化定子和转子间的气隙网格,并创建背景区域网格。下图为计算得到磁通密度及矢量分布图

通过计算原始模型生成的转矩特性。 可以看到,产生最大转矩与角度之间的关系。

接下来对模型进行参数化优化,第一件事是定义需要优化的参数。OPERA中集成了基于帕略托多目标优化算法。对于这个模型,我们为了调整永磁体磁钢尺寸的大小,对以下四个模型尺寸进行优化。

这些优化变量的范围并不相同: 磁钢角度变化范围为15度到27.5度之间,磁钢顶端半径为60~80mm范围,底端半径为30~50mm范围。 作为参考,定子轭部内外径为30mm和80mm,这限制了磁钢在定子轭部径向方向的长度。优化器中提供了初始定义参数以及各参数变化步长的设置。

下一步是设定 优化目标。 在本例中,我们将目标设置为电机转矩的最大化,同时磁通密度的最小化,其目的是减少由饱和导致的低效率。 我们定义了一个简单的函数来计算从有限元解的到的扭矩峰值和定子铁芯中的磁通密度峰值。 这两个值#Bmax 和#Tz被设置在优化求解目标函数中(Objective Functions)而体积作为一个被求解记录量并不设置优化目标。

用户可以OPERA优化器通过修改上图的这些参数,设置求解的计算量,以及启动和停止条件。存储的计算结果也通过该设置页面设置。下图为计算的结果,我们可以通过颜色和Rank等级区分优化结果的级别。

也可以通过选择任意一行计算结果,重建模型观测实际该模型参数的形状。从下图可以看出有一系列形状各异的结构都能实现最大转矩和最小磁通密度的指标,但对应的磁钢尺寸并不相同。

    因此我们将对磁钢的体积做约束设置,例如体积小于5000,并重新运行该优化设置

从下图中可以看出体积不符合要求的部分变成了绿色。

我们选择峰值密度为1.8T的优化结果与原先的计算方案比较,额可以看出,优化后的结果在获得相同的最大转矩大小的情况,永磁磁钢的重量减轻了2/3。

整个优化过程工计算了255个独立的模型的静磁场模型,单个模型平均耗时4分钟,总共耗时3个小时,计算过程采用8核心并行计算。

  1. 总结

通过以上的简短介绍,我们已经讨论了在新设备原型设计阶段有限元分析和其他方法相比的重要性,以及有限元分析设计可能带来的好处。 然后我们介绍了OPERA的准确性,速度以及易用特性,最后,我们研究了如何使用OPERA优化器对一个轴向磁通电机的优化流程。该流程实现了高效和易用的三维设计,帮助轴向磁通电机更容易设计,已经很多知名的轴向电机公司通过OPERA的设计实现了轴向电机的量产,例如PROTEAN1, YASA2

  1. http://zh.proteanelectric.com/our-technology-engineering-capabilities/
  2. http://ukmagsoc.org/wp-content/uploads/2015/10/technical_paper_example.pdf

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