快速降低铁氧体辅助同步磁阻电机材料成本的优化方法技术

本发明专利技术涉及永磁同步电机的多目标优化技术领域，尤其涉及快速降低铁氧体辅助同步磁阻电机材料成本的优化方法，包括确定设计要求和建立优化模型；根据灵敏度水平对转子参数进行分层优化设计；将有限元法与响应面法相结合以获取高精度的解析模型；使用多目标智能寻优算法以快速实现高磁极利用率；保持定子槽满率、轭部厚度不变，对裂比、齿宽、轴长和电流进行优化以实现最优长径比并大幅降低电机材料成本；使用转子比定子长的结构以进一步降低材料成本并提升空间利用率。本发明专利技术首次提出快速降低铁氧体辅助同步磁阻电机材料成本的优化方法，通过分模块优化快速实现铁氧体辅助同步磁阻电机低材料成本、高磁极利用率和高空间利用率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
快速降低铁氧体辅助同步磁阻电机材料成本的优化方法


[0001]本专利技术涉及永磁同步电机的多目标优化
，尤其涉及快速降低铁氧体辅助同步磁阻电机材料成本的优化方法。

技术介绍

[0002]现如今永磁同步电机已经得到了广泛的应用，从汽车到航空航天的众多领域，永磁同步电机都扮演着十分重要的角色，这主要得益于永磁同步电机的几个显著特点，包括高转矩密度、高效率以及重量体积小等，永磁同步电机采用了高磁能积的磁性材料取代了传统的励磁绕组，不仅消除了励磁绕组带来的负面影响，而且简化了电机的机械结构，使电机运行可靠性提高，机械损耗也相应的减小。
[0003]永磁同步电机，尤其是钕铁硼永磁励磁的稀土永磁同步电机具有构造简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗少、效率高等显著优点，但由于钕铁硼价格昂贵，稀土永磁同步电机在民用场合的应用受到限制，于是，拥有多层磁障结构的铁氧体辅助同步磁阻电机被提出，其能够以较低的成本实现高转矩密度和高效率，然而，铁氧体辅助同步磁阻电机往往参数众多，甚至可达20个以上，导致电机优化的工作量大大增加。
[0004]此外，在实际工业应用时，往往需要全面考虑电机的各项指标如输出转矩、转矩脉动、齿槽转矩、效率和成本等，多个目标之间的权衡也非常具有挑战性，这导致铁氧体辅助同步磁阻电机的优化设计工作效率较低且效果不理想，进而限制了铁氧体辅助同步磁阻电机的推广使用。因此，针对铁氧体辅助同步磁阻电机的优化设计方法是非常具有研究价值的，近年来，针对铁氧体辅助同步磁阻电机的结构设计方法和性能优化方法，国内外很多学者进行了大量的研究。
[0005]目前，大部分研究都只关注提升转矩密度和降低转矩脉动，针对铁氧体辅助同步磁阻电机的成本优化方法还很少见。由于铁氧体无论是密度还是价格都大幅度低于铜，所以通过多用铜少用磁极的方式虽能提升转矩密度，但往往会导致成本增加，为了降低铁氧体辅助同步磁阻电机的材料成本，将铝制绕组代替铜制绕组、使用单位铁损较高的硅钢片等是很有效的，但会导致效率的降低。此外，大多数电机优化方法集中于提升转矩和效率，往往优化后的电机性能是超出指标的，这不利于节省成本。
[0006]因此，铁氧体辅助同步磁阻电机的成本优化不仅需要关注电机的整体，而且需要控制电机设计裕量，为达到快速降低材料成本的目的，电机的优化流程需要合理安排，优化目标的权重需要灵活变化。不论如何，铁氧体辅助同步磁阻电机的成本优化是一个具有研究价值和应用价值的方向。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的快速降低铁氧体辅助同步磁阻电机材料成本的优化方法。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0009]快速降低铁氧体辅助同步磁阻电机材料成本的优化方法，包括以下步骤：
[0010]步骤S1：综合考虑电机输出转矩、转矩脉动、效率和成本等设计要求，建立多目标优化数学模型；
[0011]步骤S2：根据灵敏度水平对转子参数进行分层优化设计，将有限元法与响应面法相结合以获取高精度的解析模型，使用多目标智能寻优算法以快速实现高磁极利用率；
[0012]步骤S3：保持定子槽满率、轭部厚度不变，对裂比、齿宽、轴长和电流进行优化以实现最优长径比并大幅降低电机材料成本；
[0013]步骤S4：使用转子比定子长的结构以进一步降低材料成本并提升空间利用率。
[0014]优选的，所述步骤S1中的综合考虑电机输出转矩、转矩脉动、效率和成本等设计要求，建立的多目标优化数学模型由综合目标函数、设计空间及约束条件组成，综合目标函数通过加权法建立：
[0015][0016]其中，F
min
(x
i
)是综合目标函数，x
i
表示优化参数；f
avg_0
和f
avg
(x
i
)分别表示平均转矩的初始值和优化值，f
rip_0
和f
rip
(x
i
)分别表示转矩脉动的初始值和优化值，f
eff_0
和f
eff
(x
i
)分别表示效率的初始值和优化值，f
cost_0
和f
cost
(x
i
)分别表示材料成本的初始值和优化值；λ1，λ2，λ3和λ4为各个目标的权重系数，其和为1；
[0017]设计空间及约束条件可表示为：
[0018][0019]其中，x
i
为优化变量，minx
i
和maxx
i
分别是x
i
的下限和上限；g1(x
i
)，g2(x
i
)和g3(x
i
)分别为考虑输出转矩、转矩脉动和效率所设置的约束函数；f
avg_req
，f
rip_req
和f
eff_req
分别表示为输出转矩、转矩脉动和效率的设计需求值。
[0020]优选的，所述步骤S2中的根据灵敏度水平对转子参数进行分层优化设计，首先对转子参数进行相关性分析并计算各个参数的灵敏度，根据灵敏度大小将参数分为高、中、低三个水平；低灵敏度参数对优化目标影响小可忽略，直接更新为适当值为其余参数优化腾出空间；接着依次对高灵敏度参数和中灵敏度参数进行优化。
[0021]优选的，所述步骤S2中的将有限元法与响应面法相结合以获取高精度的解析模型，要求建立高保真的有限元模型以获取有效样本点，同时进行合理的实验设计以实现样本点在设计空间上均布且数量足够，最后结合响应面法拟合高精度的解析模型。
[0022]优选的，所述步骤S2中的使用多目标智能寻优算法以快速实现高磁极利用率，赋予λ1和λ4较高权重以提高输出转矩和降低材料成本，实现高磁极利用率，同时使用多目标智能寻优算法以快速获取最优解。
[0023]优选的，所述步骤S3中的保持定子槽满率、轭部厚度不变，对裂比、齿宽、轴长和电流进行优化以实现最优长径比并大幅降低电机材料成本，槽满率不变通过调整匝数实现，轭部厚度不变通过调整定子槽深实现；
[0024]优化裂比、齿宽、轴长和电流参数主要目的在于大幅降低材料成本，这通过令λ1＝λ2＝λ3＝0，λ4＝1实现，即转变为以降低材料成本为单一目标的优化设计。
[0025]优选的，所述步骤S4中的使用转子比定子长的结构以进一步降低材料成本并提升空间利用率，利用铁氧体辅助同步磁阻电机定子铜成本高于转子铁氧体成本的特点，在步骤S3的基础上进一步降低定子轴长和增加转子轴长，实现材料成本的降低和空间利用率的提升。
[0026]本专利技术的有益效果是：
[0027]本专利技术中，根据电机各个参数的作用合理安排优化次序，首先对转子参数进行优化以实现高磁极利用率，然后对裂比、齿宽、轴长和电流进行优化以实现最优长径比并大幅降低电机材料成本，最后使用定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
较高权重以提高输出转矩和降低材料成本，实现高磁极利用率，同时使用多目标智能寻优算法以快速获取最优解。6.根据权利要求1所述的快速降低铁氧体辅助同步磁阻电机材料成本的优化方法，其特征在于，所述步骤S3中的保持定子槽满率、轭部厚度不变，对裂比、齿宽、轴长和电流进行优化以实现最优长径比并大幅降低电机材料成本，槽满率不变通过调整匝数实现，轭部厚度不变通过调整定子槽深实现；优化裂比、齿宽、轴长和电流参数主要目的在于大幅降低材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾泽鑫，夏佳青，陈前，徐高红，孙建臣，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：