[发明专利]一种开关磁阻电机减振降噪优化设计方法

说明书

本发明公开了一种开关磁阻电机减振降噪优化设计方法。传统开关磁阻电机设计方法优化目标单一，且大多以机械效率为主要优化目标，但在诸多应用场景中，开关磁阻电机的转矩脉动以及振动行为，也是开关磁阻电机表现性能的关键评价指标。开关磁阻电机径向力引起的定子振动是开关磁阻电机噪声的主要来源。尤其是当励磁频率接近电机的本征频率时，开关磁阻电机的振动幅度将显著增大(即共振)，因此电机的本征频率应远离额定转速下的励磁频率。电机动态运行过程中的最大径向力是评估机械振动性能的重要指标，因此在开关磁阻电机设计优化阶段，寻找一种合适的设计优化方法将包括电机的振动特性考虑在内，实现开关磁阻电机减振降噪设计方法，具有重要意义。

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机减振降噪优化设计方法，属于电机设计领域。

背景技术

开关磁阻电机因其高鲁棒性、低成本结构、环境适应能力强等特点，在电网备用发电机中具有十分广阔的应用前景。传统开关磁阻电机设计方法优化目标单一，且大多以效率为主要优化目标，但在诸多应用场景中，开关磁阻电机的转矩脉动以及振动行为，也是开关磁阻电机表现性能的关键评价指标。

在开关磁阻电机机械设计优化阶段，建立详细的三维结构动力学模型导致计算量大、耗时长，并且单一优化目标不能将开关磁阻电机的振动特性考虑在内。在高速应用场景中，为达到更高的效率，开关磁阻电机通常工作在单脉冲模式，径向力引起的定子振动是开关磁阻电机噪声的主要来源。尤其是当励磁频率接近电机的本征频率时，开关磁阻电机的振动幅度将显著增大(即共振)，因此电机的本征频率应远离额定转速下的励磁频率。电机动态运行过程中的最大径向力是评估机械振动性能的重要指标，因此在开关磁阻电机设计优化阶段，寻找一种合适的设计优化方法将电机的振动特性考虑在内具有重要意义。

发明内容

针对传统的开关磁阻电机设计方法存在的计算耗时长以及未能兼顾电机多方面表现性能。本发明提出了一种开关磁阻电机减振降噪优化设计方法，首先为了减小计算工作量和提高建模精度，该方法通过高斯过程回归分析建立开关磁阻电机非参数模型，在此模型的基础上计算一阶敏感度指标和全局敏感度指标来对设计参数进行敏感性分析并确定主要优化参数。进一步以提高效率、减小转矩脉动和振动为优化目标，通过模式搜索法进行多目标优化求解出帕累托最优解集，运用折中妥协决策法从帕累托集中选择最佳折衷解决方案。最后根据共振频率分析调整设计参数以获得综合效益最佳的设计方案。所述方法深入优化电机效率，抑制电机转矩脉动，并通过调整定子参数降低全转速范围内电机共振。技术方案如下：

步骤一：初选电机优化设计参数及范围。几何设计参数主要包括转子轴半径(r_sh)、转子外半径(r_r)、定子外半径(r_s)、转子极弧角(b_r)、定子极弧角(b_s)、转子磁轭厚度(h_ry)、定子磁轭厚度(h_sy)、转子磁极宽度(w_rp)、定子磁极宽度(w_sp)、气隙长度(g)和硅钢片的堆叠长度(L_stk)；其中参数r_s、r_r和L_stk是电机功率密度的关键因素，将初始值±5％的变化视为优化范围。

步骤二：高斯过程回归分析建立开关磁阻电机非参数模型。高斯过程回归分析多元正态分布方程如下

式中，X表示训练输入，y表示训练输出，两者都通过有限元仿真获取。X_*表示测试输入，通过拉丁超立方采样得到，y_*表示测试输出；σ_n是y的信号噪声方差。I是单位矩阵。K、K_*、K_*^T以及K_**为协方差矩阵；

进一步的，后预验值计算公式为