基于元模型的开口绕组永磁同步电机零序电流转矩脉动几何优化设计方法

《IEEE Access》：Optimal Design of Open-End Winding PMSMs for Torque Ripple Reduction Under Zero-Sequence Current Conditions

　　本文提出了一种基于元模型的优化设计方法，用于减轻具有公共直流母线结构的开口绕组永磁同步电机系统中零序电流引起的转矩脉动。与依赖复杂逆变器侧控制算法的传统方法不同，所提方法通过电机几何优化抑制零序电流的不利电磁效应，而不增加控制复杂度。为准确再现开口绕组的工作环境，开发了一个集成Ansys Maxwell 2D和Maxwell Circuit的耦合联合仿真框架，并采用可控零序电压激励方法来产生和评估零序电流。通过相位角扫描分析，确定了导致最大转矩脉动的最恶劣工况，其零序电流相位角为296°。在此条件下，三阶谐波零序电流磁场与永磁体磁通之间的非线性谐波相互作用加剧了气隙磁场的谐波畸变，增加了主要的气隙磁通谐波，从而导致严重的转矩脉动。为减轻这些效应，选择了五个与定子和转子结构相关的几何设计变量，并执行了结合拉丁超立方抽样设计、敏感性分析和混合元启发式算法的元模型优化流程。优化后的模型在满足平均转矩和效率约束的条件下，将转矩脉动从18.38%显著降低至9.50%。此外，谐波分析证实优化后的几何结构在严重零序电流工况下有效抑制了低阶气隙磁通谐波和电磁脉动力分量。结果表明，所提的几何优化方法无需额外硬件或高级控制即可有效提高开口绕组电机系统的鲁棒性和转矩质量。