[发明专利]一种新型力矩电机结构参数优化方法

说明书

技术领域

本发明属于电机智能优化设计领域，具体涉及一种新型力矩电机结构参数优化方法。

背景技术

目前，电机的计算分析方法主要有集中参数的磁路分析法和分布参数的电磁理论法，有限元分析法；集中参数的磁路分析法，理论计算容易，但是计算误差较大，为了弥补误差而引入的修正参数需要大量的工程试验获得，费时费力；分布式参数电磁场理论方法理论计算复杂，同时不能解决复杂的边界条件及材料的非线性因素等。

但随着科学技术的发展，对电机的分析计算提出了更高的要求；电机的单机容量不断提高，各种特殊类型的电机层出不穷，电磁结构更加复杂，用电路和磁路的分析方法就越来越显得不能满足分析计算的需求；生产中的某些实际问题得不到很好解决，如汽轮发电机端部漏磁场；大型电机和变压器的局部过热；有些结构复杂的电机如水磁电机、开关磁阻电机等都无法精确计算；当前具体的电机模型往往通过计算机有限元分析软件进行有限元分析，简单有效，且计算精度高。

传统电机优化设计采用的优化算法是一种基于设计变量可微性的数值方法；主要有直接搜索法和随机搜索法两种寻优模式，其中经典寻优策略有Powell法、单纯形法、SUMT罚函数法、可变容差法和梯度法等等，虽然传统优化设计策略在指导电机设计的实践中已经取得一定成果。但是仍然存在许多问题，譬如优化结果与初始解的选择有密切关系；优化算法往往收敛于初始值附近的局部极值点，难以获得理想的全局最优结果；另外对离散变量的处理也存在一定困难；电机的建模和优化设计都是具有噪声情况下的多模空间中的多维优化问题，传统的解析和数值方法所需要的目标函数的优良特性已不复存在，因此，传统优化方法无法轻易或准确地完成电机这一多维多模优化任务。

因新型力矩电机结构异于普通电机，采用传统的磁路分析方法，需要更多的工程经验，对结构参数的修正，也只是通过试凑的方法，计算的误差大；采用有限元法可以保证对电机模型计算的精确度，但在进行结构参数优化设计时计算量大，人工耗时也多。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明提出一种新型力矩电机结构参数优化方法，以达到提高计算精确性，简化处理过程，减小工作量的目的。

一种新型力矩电机结构参数优化方法，包括以下步骤：

步骤1、根据实际需求设定目标电机永磁体圆心角、转子相对于定子的转动角度最大值和采样转动角度，所述的圆心角的取值范围为20°～50°，转子相对于定子的转动角度的取值范围为0°～30°，采样转动角度根据实际需求而定，即每次采样转子所旋转的角度；

步骤2、采用有限元分析法对目标电机进行分析，确定电机每次转动后的转矩值，每次转动角度为设定的采样转动角度，具体如下：

步骤2-1、确定目标电机参数，包括定子铁芯外径、定子铁芯内径、转子铁芯外径、转子铁芯内径、转子磁极厚度、定子磁极厚度、气隙长度、铁芯长度、定子极对数、定子磁及对应弧度、转子极对数和转子磁极对应弧度，根据上述电机参数构建目标电机模型；

步骤2-2、将目标电机转子转动一个采样转动角度；

步骤2-3、采用有限元分析法对目标电机模型侧面结构进行网格划分，网格边长为0.001m～0.003m：

步骤2-4、设定网格边界条件，即确定位于转子铁芯内径圆周和定子铁芯外径圆周的网格节点，通过上述节点作圆周的切线，将电机产生的磁力线沿切线分解，设置分解后垂直于切线方向的矢量磁位为零，即将电机内部磁力线约束在转子铁芯内径圆周和定子铁芯外径圆周之间；

步骤2-5、设置一个圆环将定子和转子之间的空气隙平均分为两层，将该圆环作为路径，并将位于该路径上的网格节点磁通密度进行积分，获得该采样转动角度下的目标电机转矩；

步骤2-6、将目标电机转子按同一方向继续转动一个采样转动角度，返回执行步骤2-2至步骤2-5，获得转子转动后的电机的实际转矩，直至达到转子相对于定子的转动角度最大值；

步骤3、确定理想状态下，电机转矩与转子相对于定子的转动角度的关系，进而获得每个转动角度下电机的理想转矩；

步骤4、将不同采样角度下，理想转矩与实际转矩之间的均方差取值最小作为目标，将两两相对的永磁体圆心角之差在设定范围内和定子轭部磁密在设定范围内作为约束条件，并采用变权重免疫克隆选择算法进行优化，获得电机永磁体圆心角的最优值，具体如下：

步骤4-1、以不同采样角度下，理想转矩与实际转矩之间的均方差取值最小作为目标函数，将两两相对的永磁体圆心角之差在设定范围内和定子轭部磁密在设定范围内作为约束条件，构建目标电机的多目标模型；