摘要：针对常规瓦形表贴式磁极产生近似矩形的空载气隙磁密，导致感应电势谐波含量较高、转矩脉动大，以及表贴式永磁体在转子装配过程中易磕碰受损等问题，提出一种在瓦片形永磁体表面加装导磁极靴的双曲磁极结构。通过对双曲磁极的空载气隙磁密波形畸变率和齿槽转矩波形的分析，建立双曲磁极结构参数化模型。以齿槽转矩最小化和电磁转矩最大化为优化目标，采用云遗传策略(cloud genetic strategies, CGS)优化设计一台表贴式双曲磁极永磁电机，优化结果表明电机的齿槽转矩等各项指标都有所改善。最后，利用有限元仿真方法以及样机测试的方法进行验证，结果均证明了双曲极靴磁极结构及其优化设计方法的正确性。
关键词：云遗传策略；永磁电机；表贴式双曲极靴；转矩脉动
Abstract：Approximately rectangular no-load air-gap flux density waveform of traditional tile surface mounted permanent magnet motor had high harmonic content in the back EMF, large torque ripple and easy to bump damage in the rotor assembly process, a novel surface mount hyperboloidal pole structure composed of permanent magnet and magnetic metal shoe was presented. Then, no-load air-gap flux density and cogging torque was calculated, and the corresponding harmonics and sinusoidal distortion rate of air-gap flux density were obtained by Fourier decomposition. Build the hyperbolidal pole structure parameters of the mode. Taking minimizing the cogging torque and maximizing the electromagnetic torque as the target, this paper design a surface mounted hyperboloidal pole permanent magnet motor by cloud genetic strategies(CGS). The design results show that cogging torque and other performance are better than initial model. At last, the simulation is made according to finite element method. The no-load and load test also made after built the prototype motor. Both the results of finite-element simulation and test are verified the design modeling and the optimal method correctly.
keywords：cloud genetic strategy；permanent magnet motor；surface mounted hyperboloidal pole-shoe；torque ripple.
1 引言
表贴式直驱永磁电动机以其结构简单、易制造等优点广泛应用于高精度电主轴、电梯曳引机等领域，这些应用场合要求电机转矩脉动低，而常规的瓦片表贴式磁极形成近似矩形磁动势和均匀气隙的磁极结构，空载气隙磁密波形正弦化程度较低、感应电势谐波含量大，使得谐波转矩较大，导致永磁电机产生较大的转矩脉动[1-2]。除此之外，在转子生产过程中，永磁体表面极易被刮擦、磕碰，造成永磁体碎裂或表面防锈层脱落，引起永磁体生锈或性能变差等问题，从而影响电机长期稳定运行。因此，提高气隙磁密正弦化程度、降低转矩脉动、防止永磁体安装受损，对永磁电机具有重要意义。
永磁体作为励磁磁源，对电机各项指标影响很大，众多学者采用优化设计永磁体形状的方法，提高气隙磁密正弦化程度和降低转矩脉动。文献[3-4]分别采用永磁体削角与多块组合磁极的方法削弱齿槽转矩，利用仿真方法证明其方法的正确性。文献[5]建立了永磁电机不等厚磁极子域计算模型，推导出气隙磁密、齿槽转矩及感应电势解析表达式，通过仿真分析得出的结论为：偏心距越大，气隙磁密与感应电势波形正弦度越好，齿槽转矩越小。由此说明：不等厚永磁体形成非均匀的气隙结构对改善空载气隙磁密波形是有效途径，但直接将永磁体加工成不等厚形状，会切削浪费掉更多的永磁材料，降低了电机经济性。文献[6]提出了在矩形永磁体表面加装弧形极靴的磁极结构，该磁极结构能够降低风力发电机齿槽转矩，但同时增大了短路电流。
永磁体形状参数的选取要综合考虑多项电机指标，计算量非常大，需借助智能优化算法完成。遗传优化算法是一种模拟自然界生物进化过程的随机搜索优化算法[7-8]，常被用于解决电机多目标优化设计问题。文献[9]应用遗传算法，以提高转矩密度与降低输出转矩波动为优化目标，优化设计极弧系数、永磁体宽度、气隙长度等尺寸参数，最后通过采用二维有限元仿真分析和样机试制验证了优化结果。
遗传算法的关键是交叉过程和变异过程，而传统遗传过程采用固定的交叉概率Pc和变异概率Pm，或者在限定阈值的条件下调整Pc和Pm，寻优易陷入“局部最优解”，且无法体现遗传进化的随机性和趋势性的特点，而云模型[10]的引入能够很好的解决遗传算法的这些问题，文献[11]提出云遗传策略(cloud genetic strategy, CGS)，采用云模型产生交叉概率和变异概率，通过优化设计IIR数字滤波器，取得了比传统遗传算法更优的结果。文献[12]应用云遗传策略寻找解决维修调度问题的最优解，较标准遗传算法相比收敛速度更快。
本文提出一种在传统瓦片形磁极表面加装极靴的方法，形成非均匀气隙，不仅提高气隙磁场波形正弦化度，降低转矩脉动，还能起到防止磁极损坏的作用。通过仿真分析得到，极靴选取不同参数时，对空载气隙磁密、转矩波动等指标都有不同程度的影响。为了得到较小的转矩脉动和较大的电磁转矩，利用云遗传策略优化极靴结构尺寸，最后通过有限元仿真分析和实验的方法对优化结果予以验证。
2 常规表贴式磁极结构分析
常规表贴式磁极结构如图1(a)所示，采用瓦形同心圆弧形状的永磁体，形成均匀的气隙结构，磁力线均匀分布于极弧表面，经仿真分析得到一对磁极产生的空载气隙磁密波形及其谐波分析波形如图1(b)所示，从图中可以看出，气隙磁密波形近似矩形，波形正弦度较差，谐波含量较大，使永磁电机产生转矩脉动，影响电机输出转矩的平稳性。
6 结论
为了降低表贴式永磁电机的转矩谐波，本文提出了在常规瓦形永磁体表面加装导磁极靴的双曲极靴磁极结构。该磁极能够显著提高空载气隙磁密和感应电势波形正弦度，同时能够解决电机装配时永磁体磕碰受损等问题。为了得到最优的双曲极靴尺寸，将CGS应用到极靴尺寸优化设计，采用二维有限元仿真方法验证优化结果，得出空载气隙磁密波形和感应电势波形畸变率分别降低2.17%和1.62%，齿槽转矩下降34.6%，电磁转矩提高1.84%，证明了CGS优化方法的正确性。最后，对试制的表贴式双曲磁极直驱永磁电机进行了空载、负载试验，测试结果与仿真分析结果一致，并将样机成功应用于螺杆泵地面直驱采油装置，证明了双曲磁极及其优化设计方法是正确有效的。