兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (5): 1363-1373.doi: 10.12382/bgxb.2023.0049
魏嘉麟1,2, 王又珑1,2,3,*(), 温旭辉1,2,3, 陈晨1, 李文善1
收稿日期:
2023-02-02
上线日期:
2023-06-06
通讯作者:
基金资助:
WEI Jialin1,2, WANG Youlong1,2,3,*(), WEN Xuhui1,2,3, CHEN Chen1, LI Wenshan1
Received:
2023-02-02
Online:
2023-06-06
摘要:
航空飞行器用高速永磁同步电机损耗密度高、散热条件差,脉宽调制电压供电产生的损耗可能会导致显著的温升,加剧Halbach磁体的退磁风险,影响电机的安全运行。针对上述问题,提出基于Nelder-Mead法的高速永磁同步电机多目标优化设计方法,以电机损耗和温升为优化目标,使用场路耦合有限元分析法和解析法计算电机在T型三电平变流器供电下的损耗,进而计算电机温升。根据寻优算法搜索最优设计区域,获得优化设计方案。分析Halbach磁体内的磁密分布和涡流损耗,对磁体进行优化设计,从而抑制退磁和损耗。设计并制造一台300kW、30000r/min高速永磁同步电机,仿真和实验结果表明,新提出的设计方法能够快速实现多目标寻优,并有效抑制退磁。
中图分类号:
魏嘉麟, 王又珑, 温旭辉, 陈晨, 李文善. 航空飞行器用300kW高速永磁同步电机优化设计[J]. 兵工学报, 2024, 45(5): 1363-1373.
WEI Jialin, WANG Youlong, WEN Xuhui, CHEN Chen, LI Wenshan. Optimization Design of a 300kW High-speed Permanent Magnet Synchronous Machine for Aviation Aircraft[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(5): 1363-1373.
参数 | 数值 |
---|---|
额定功率/kW | 300 |
额定转速/(r·min-1) | 30000 |
额定电压/V | 380 |
相数 | 3 |
额定效率/% | ≥94 |
直流电压/V | 540 |
表1 PMSM技术指标
Table 1 Technical specifications of high-speed PMSM
参数 | 数值 |
---|---|
额定功率/kW | 300 |
额定转速/(r·min-1) | 30000 |
额定电压/V | 380 |
相数 | 3 |
额定效率/% | ≥94 |
直流电压/V | 540 |
类型 | 参数 | 数值范围 |
---|---|---|
定子外径Rs/mm | 230 | |
约束条件 | 轴向有效长度Le/mm | 140 |
齿部磁密/T | ≤1.5 | |
轭部磁密/T | ≤1.5 | |
优化变量 | 气隙磁密Bm/T | 0.40~0.85 |
裂比 | 0.40~0.75 |
表2 优化变量和约束条件
Table 2 Optimization variables and constraints
类型 | 参数 | 数值范围 |
---|---|---|
定子外径Rs/mm | 230 | |
约束条件 | 轴向有效长度Le/mm | 140 |
齿部磁密/T | ≤1.5 | |
轭部磁密/T | ≤1.5 | |
优化变量 | 气隙磁密Bm/T | 0.40~0.85 |
裂比 | 0.40~0.75 |
方案 | 损耗/kW | 定子最高温度/℃ |
---|---|---|
X1(0.5,0.45T) | >8.00 | >200 |
X2(0.6,0.6T) | 6.25 | 156.7 |
X3(0.7,0.5T) | 7.45 | 174.8 |
X5(0.725,0.6T) | 7.91 | 186.6 |
X6(0.7,0.583T) | 7.34 | 183.4 |
X7(0.6,0.7T) | 6.09 | |
X8(0.575,0.75T) | 6.01 | |
X9(0.53,0.72T) | 5.84 | |
X10(0.575,0.67T) | 5.79 | |
X11(0.53,0.64T) | 5.76 | |
Y1(0.575,0.5T) | 6.28 | 165.5 |
Y2(0.475,0.6T) | 6.77 | 173.8 |
Y3(0.53,0.575T) | 6.23 | 162.7 |
Y4(0.555,0.675T) | 5.76 | 153.4 |
Xfinal(0.54,0.68T) | 5.80 | 154.1 |
表3 电机损耗和温度
Table 3 Loss and temperature of PMSM
方案 | 损耗/kW | 定子最高温度/℃ |
---|---|---|
X1(0.5,0.45T) | >8.00 | >200 |
X2(0.6,0.6T) | 6.25 | 156.7 |
X3(0.7,0.5T) | 7.45 | 174.8 |
X5(0.725,0.6T) | 7.91 | 186.6 |
X6(0.7,0.583T) | 7.34 | 183.4 |
X7(0.6,0.7T) | 6.09 | |
X8(0.575,0.75T) | 6.01 | |
X9(0.53,0.72T) | 5.84 | |
X10(0.575,0.67T) | 5.79 | |
X11(0.53,0.64T) | 5.76 | |
Y1(0.575,0.5T) | 6.28 | 165.5 |
Y2(0.475,0.6T) | 6.77 | 173.8 |
Y3(0.53,0.575T) | 6.23 | 162.7 |
Y4(0.555,0.675T) | 5.76 | 153.4 |
Xfinal(0.54,0.68T) | 5.80 | 154.1 |
变流器及其频率 | 轴向长度/mm | 涡流损耗/W |
---|---|---|
5 | 200.8 | |
两电平,10kHz | 10 | 378.9 |
15 | 457.4 | |
20 | 495.3 | |
5 | 156.8 | |
两电平,16kHz | 10 | 259.2 |
15 | 290.4 | |
20 | 303.6 | |
5 | 79.5 | |
三电平,10kHz | 10 | 139.6 |
15 | 162.7 | |
20 | 174.7 |
表4 磁体涡流损耗计算结果
Table 4 Calculated results of eddy current losses in magnets
变流器及其频率 | 轴向长度/mm | 涡流损耗/W |
---|---|---|
5 | 200.8 | |
两电平,10kHz | 10 | 378.9 |
15 | 457.4 | |
20 | 495.3 | |
5 | 156.8 | |
两电平,16kHz | 10 | 259.2 |
15 | 290.4 | |
20 | 303.6 | |
5 | 79.5 | |
三电平,10kHz | 10 | 139.6 |
15 | 162.7 | |
20 | 174.7 |
参数 | 转速/(r·min-1) | |
---|---|---|
25000 | 30000 | |
转矩/(N·m) | 99.5 | 105.8 |
发电功率/kW | 253.0 | 321.0 |
相电流有效值/A | 505.0 | 550.0 |
负载功率/kW | 246.0 | 312.0 |
电机效率/% | 97.1 | 96.6 |
系统效率/% | 94.5 | 93.9 |
表5 样机实验数据
Table 5 Experimental results of the prototype
参数 | 转速/(r·min-1) | |
---|---|---|
25000 | 30000 | |
转矩/(N·m) | 99.5 | 105.8 |
发电功率/kW | 253.0 | 321.0 |
相电流有效值/A | 505.0 | 550.0 |
负载功率/kW | 246.0 | 312.0 |
电机效率/% | 97.1 | 96.6 |
系统效率/% | 94.5 | 93.9 |
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