基于Surrogate算法的永磁同步电机定子辅助槽参数优化.pdf
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1、第2 1 卷第2 期2023年6 月doi:10.13960/j.issn.1672-2558.2023.02.009基于Surrogate算法的永磁同步电机定子辅助槽参数优化南京工程学院学报(自然科学版)Journal of Nanjing Institute of Technology(Natural Science Edition)Vol.21,No.2Jun.,2023投稿网址:http:/王逸飞,丁文政,杨杨南,李健(南京工程学院机械工程学院,江苏南京2 1 1 1 6 7)摘要:齿槽转矩是电机转矩的波动值,会导致电机的振动与噪声,在电机定子上开辅助凹槽可以有效抑制齿槽转矩,辅助槽的
2、几何参数会影响辅助槽抑制齿槽转矩的效果,需要科学地选取辅助槽的各项参数.以某型1 2 槽5 对极内置式永磁同步电机为研究对象,首先采用能量法解析齿槽转矩,利用解析计算配合有限元的方法确定辅助槽个数;然后选取辅助槽槽宽、槽深、槽间距作为待优化参数,采用拉丁超立方抽样方法进行抽样,运用MagNet电磁仿真软件对抽样得到的1 2 0 个样本点进行仿真,仿真结果用于Kriging模型的搭建,以该模型为基础采用Surrogate算法对辅助槽几何参数进行寻优.结果表明,基于本文方法得到的辅助槽方案削弱了永磁同步电机8 5.2 1%的齿槽转矩,反电动势正弦性增加谐波含量下降,电机性能明显改善。关键词:永磁同
3、步电机;齿槽转矩;辅助槽;Surrogate算法中图分类号:TH165Parameter Optimization of Stator Auxiliary Grooveof Permanent Magnet Motor Using SurrogateWANG Yifei,DING Wenzheng,YANG Nan,LI Jian(School of Mechanical Engineering,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)Abstract:The groove torque is the fluctuation v
4、alue of the motor torque,which will lead to the vibration and noise of themotor.Opening the auxiliary groove on the motor stator can effectively inhibit the groove torque,but the geometricparameters of the auxiliary groove will ffect inhibiting the groove torque,so it is necessary to select the para
5、meters of theauxiliary groove scientifically.Taking a type of 12-slot 5-pole built-in permanent magnet synchronous motor as the researchobject,firstly,the groove torque was analyzed by using energy method,and the number of auxiliary slots was determinedby analytical calculation and finite element me
6、thod.Secondly,geometric parameters of auxiliary slots were optimizedthrough Surrogate algorithm.First,groove width,depth and spacing of auxiliary slots were selected as parameters to beoptimized.Then,sampling was carried out through Latin hypercube experimental design method.The simulation resultswe
7、re used to build Kriging model,and the Surrogate algorithm wasadopted to optimize the geometric parameters of theauxiliary slot based on the model.The results show that the auxiliary groove scheme based on the above method weakens85.21%of the groove torque of the permanent magnet synchronous motor.A
8、t the same time,the sine of the backelectromotive force increases,the harmonic content decreases,and the motor performance is obviously improved.Key words:permanent magnet synchronous motor;gear groove torque;auxiliary groove;surrogate algorithm收稿日期:2 0 2 2-0 8-2 9;修回日期:2 0 2 3-0 1 1 4作者简介:王逸飞,硕士研究生
9、,研究方向为机电系统集成及机器人技术.E-mail:njgdsk133 通讯作者:丁文政,博士,教授,研究方向为机电系统集成设计、机电系统测试与仿真.引文格式:王逸飞,丁文政,杨南,等.基于Surrogate算法的永磁同步电机定子辅助槽参数优化J.南京工程学院学报(自然科学版),2 0 2 3,21(2):44-50.第2 1 卷第2 期相比于传统的电励磁同步电机,永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、体积小、效率高等优点,被广泛应用于航空航天、工农生产、新能源汽车等领域2 .但永磁同步电机稳定运行时存在齿槽转矩,会引起电机振动与噪声,影响电机输出性能,降低电机运行可靠性与稳定性3 .因此,降低
10、齿槽转矩,提升电机输出性能已成为高性能永磁同步电机的重要研究内容之一4 .目前,国内外学者对辅助槽削弱电机齿槽转矩已进行大量研究分析,并取得了一定成果5-6 .文献7 在一台内转子表贴式永磁电机上引入矩形辅助槽削弱齿槽转矩;文献8 研究整数槽表贴式永磁电机的辅助槽,采用有限元仿真方法得出了抑制效果最好的槽宽参数;文献9 研究内置式整数槽永磁电机的辅助槽,以槽数、槽深、槽宽参数为优化对象,控制2 个参数不变,改变1 个参数的取值,进行多组仿真,分别得出每个参数的最佳取值,然而,当3 个最佳参数共同作用时,抑制效果并不理想.综上所述,已有的辅助槽参数优化方法多为单目标优化,即控制1 个参数变化,其
11、余参数不变,采用有限元软件进行多组仿真,得出辅助槽的最优几何参数1 0 .当进行多目标优化时,该方法效果并不理想,这主要是因为多个参数之间存在较高的关联性和耦合度1 1-1 3 .为改进电机的多目标优化方案,目前大多数研究将重点放在基于智能算法的多目标优化策略1 4-1 5 .文献1 6 以抑制齿槽转矩为目标,选取3 个结构参数通过遗传算法优化,降低参数选优的复杂性,有效提高了优化效率.文献1 7 以5 个参数作为优化变量,通过田口法筛选出影响比重高的3 个参数,通过统计学方法拟合确定最佳方案.这些方法仅以齿槽转矩为优化目标进行设计,无法确定电机的其他性能,往往在对齿槽转矩优化后,电机的其他性
12、能参数会被削弱.因此,本文提出一种基于Surrogate算法的辅助槽参数优化方案,该算法通过设置非线性约束条件,在削弱齿槽转矩的同时,将齿槽转矩以外的参数也限制在合理王逸飞,等:基于Surrogate算法的永磁同步电机定子辅助槽参数优化45的范围内.1电机基本参数介绍和仿真分析研究对象为某型1 2 槽5 对极的轨道车门用分数槽永磁同步电机,电机初始设计的拓扑结构和磁密云图如图1 所示,电机的各项基本参数如表1 所示.电机的额定输出转矩仅为0.4 3 Nm,削弱该电机的齿槽转矩具有意义.开辅助槽时,每个定子齿上都有辅助槽,每条主磁又被分成三条小磁路,如图2 所示.通过在定子齿上开辅助槽,定子齿的
13、磁通被有效抑制在更小的磁路内,定子磁通量密度得到提升(从0.6 T提升到了0.9 T),增加了磁负载,削弱了齿槽转矩,更多的能量用于产生电磁转矩,从而提升了电机的输出转矩,图1 电机磁密云图表1 电机基本参数参数参数值极对数/对5定子内半径/mm15.5定子外半径/mm25.8转子半径/mm15.3额定功率/W75额定电压/V240.6 T(a)开槽前图2 开槽前后定子细节图参数永磁体厚度/mm永磁体长度/mm充磁方向定子齿数/个额定转速/(rmin)额定转矩/(Nm)0.9T(b)开槽后参数值2.96.8径向1217500.43462电机齿槽转矩分析和基本参数选择2.1齿槽转矩形成机理永磁电
14、机磁场中的磁共能表达式为:W=u+(R+Rm)+Nid式中:L为定子绕组自感;i为定子绕组电流;N为定子绕组匝数;R为闭合磁路定子铁心的磁阻;R为气隙磁阻;为永磁磁通.当定子绕组电流i为常数时,由W产生的转矩为:W-12dLT=2Tcog+Nidocog式中:Tcog为齿槽转矩,T。cog转角度.式(2)表明,减小dR/do、降低电机的永磁磁通可以有效削弱齿槽转矩,但永磁磁通的降低又会影响电机的性能.因此,使用合适的优化方法寻找两者之间的平衡点具有实际意义.2.2辅助槽槽数的分析由于本文研究的电机转子永磁体嵌入深度较小,当假设电枢铁心磁导率无穷大且不通电时,电机内存储的磁能可近似表示为永磁体磁
15、能Wm和气隙磁能Wgp之和:WWm+Wggqp式中:o为空气磁导率;B为函数B,()和G(,)的乘积,B=B,()G(,),其中,B,()为永磁剩磁磁通密度分布,为某一特定定子齿中心线与某一特定永磁体的中心线之间的角度.则齿槽转矩为:T.o=-d12uo对B,()和 G(,)进行傅里叶展开,得:TzL.T(R,-Ri)Z nG,B,(nz/(2p)sin(nz)cogAo式中:L。为电机长度;z为槽数;P为电机极对数由式(5)可得齿槽转矩的大小只与B,(0)的南京工程学院学报(自然科学版)nz/(2p)次谐波有关,削弱第 nz/2p次谐波的幅值就可以削弱齿槽转矩.经过变换,齿槽转矩可化简为:T
16、og=ET,sin(hN,+k)(1)式中,N。为槽数z和级数2 p的最小公倍数.通常基波齿槽转矩的函数周期数越大,齿槽转矩的幅值就越小.对式(6)分析表明,永磁无刷直流电动机转动一圈出现的基波齿槽转矩周期数为:2pz(7)ddm(2)do1dR;0为电机旋2mdeB?dV2oB;(0)C(0,)dV80n=12023年6 月(6)式中,Nm为电机槽数和转子极数的最大公约数.式(7)可化简为:=N。=L CM z,2 p 即电机转子转动一周后产生齿槽转矩的基波周期数为z和极数2 p的最小公倍数.2.3辅助槽槽型的选择不同辅助槽槽型对齿槽转矩削弱效果的影响不同,本文探究矩形、半圆形和三角形槽型对
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