CN113472261B - 一种基于混合永磁同步电机的分层多目标优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于混合永磁同步电机的分层多目标优化设计方法，该优化设计方法包括：(1)分析两种永磁磁源的相对位置与磁路、磁势磁导和磁链之间的关系；(2)确定永磁体最佳偏置角度，重新规划d轴磁路，实现局部拓扑结构优化；(3)确定优化目标和设计变量及其范围，并建立优化模型；(4)根据所优化目标的约束条件确定设计变量最优解。本发明主要针对混合永磁电机，两种永磁体的长、宽等关键因素影响电机性能，实际上两者的相对位置也影响电机性能。通过对电机的两种永磁源的相对位置进行局部拓扑优化，再在此基础之上进行多目标优化，电机的转矩密度和抗退磁等性能得到显著提升，适合应用到多永磁源的混合永磁同步电机优化设计中。

Description

一种基于混合永磁同步电机的分层多目标优化设计方法

技术领域

本发明涉及车用电机技术领域，尤其涉及一种基于混合永磁同步电机的分层多目标优化设计方法。

背景技术

近年来，随着稀土永磁产业的快速发展，稀土永磁电机因其高转矩密度、高功率密度、高效率等优点，成为行业内研究的热点，广泛应用于新能源汽车、航天航空、日常家电等等领域。虽然我国稀土资源较为丰富，但近年来随着稀土资源的过度开发，矿产周边的生态环境遭受到严重破坏，稀土资源的储量也急剧缩减。由于稀土永磁材料不稳定的供应链，永磁材料的价格常出现剧烈震荡。为了应对稀土危机，实现永磁电机行业的可持续性发展，“混合永磁电机”的研究成为国内外的热点。

所谓的“混合永磁电机”，其核心是以大量价格低廉的非稀土永磁材料代替部分稀土永磁材料，实现两种永磁磁源共同励磁，在减少价格高昂的稀土材料用量，节约成本的同时，保证了电机较高的转矩密度。然而，随着电机励磁源由单一的稀土永磁增加为复杂的稀土和非稀土两种永磁源，电机优化设计的自由度也大大增加，这为电机优化设计带来了难度。此外，当电机存在两种永磁磁源时，这两种永磁磁源长、宽等结构参数影响着电机的性能，实际上两者的相对位置、两块永磁材料的夹角等也同样对电机的性能起到重要影响。因为两种永磁磁源的排布方式对永磁磁势叠加情况、整体磁路构建以及磁阻磁导的分布起到重要影响，进而影响电机的整体性能。而传统的多目标优化依赖于仿真软件，注重电机结构参数与多个优化目标之间的关系，无法满足于多永磁磁源相对位置对电机性能影响的优化设计，顾针对两种永磁磁源的优化设计方案仍需探究完善。

发明内容

本发明的目的是：为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种基于混合永磁同步电机的分层多目标优化设计方法。该方法在结合电机的应用背景及自身设计特性的基础上，弥补传统多目标优化无法很好满足混合永磁同步电机设计的缺陷。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于混合永磁同步电机的分层多目标优化设计方法，包括下列步骤：

步骤1、进行第一层拓扑结构优化：通过偏置钕铁硼永磁体改变两种永磁体的相对位置，实现d轴磁路重新规划和磁能效率最大化，完成局部拓扑结构优化；

步骤2、在完成第一层局部拓扑结构优化，确定特定结构后，进行第二层多目标优化；选取优化目标a₁,a₂,a₃,····a_i,a_i+1,····a_m和关键设计变量b₁,b₂,b₃,····b_q,b_q+1····b_n以及设计变量的取值范围，m是优化目标个数，m≥3，n是关键设计变量个数，n≥5；

步骤3、选取优化目标和设计变量后，确定优化模型f(b_q)_min＝F(b_q,a_i)以及优化的约束条件G(B)＝[g₁(b_q),g₂(b_q)····g_s(b_q)]≤0，s≥1，其中F(·)为关键设计变量b_i与优化目标a_i之间的权重关系，g_s(b_q)是单个约束条件，满足g_s(b_q)≤0；通过软件仿真，得到m个优化目标与n 个设计变量之间的关系，确定m个优化目标a₁,…a_m的综合最优解。

进一步，步骤1中，固定的铁氧体永磁体对钕铁硼永磁体偏置后带来磁链和磁阻中心轴的偏移有阻碍作用，利用铁氧体永磁体对两者偏移阻碍程度的差异，实现电机d轴磁路的重新规划，实现磁能效率最大化。

进一步，实现对电机d轴磁路的重新规划即可实现转矩电流角可控，通过调控转矩电流角重新分配对电机交轴电流i_q，直轴电流i_d的占比，转矩电流角最小化实现电机交轴电流i_q最大化，直轴电流i_d最小化，从而增强永磁转矩改善输出转矩和减小去磁电流增强永磁体抗退磁能力，最终实现磁能效率最大化，完成局部拓扑优化。

进一步，所述步骤2的具体实施过程为：根据电机的设计要求和用户自身要求，选取 m个待优化的目标a₁,a₂,a₃,····a_i,a_i+1,····a_m和与优化目标相关的n设计变量b₁,b₂,b₃,····b_q,b_q+1····b_n，再结合电机本身结构尺寸和用户自身要求确定n个设计变量各自的取值范围，其中m≥3，n≥5。

进一步，步骤3中，在优化完设计设计变量b_q之后，令q＝q+1，接着优化下一个设计变量b_q+1；判断以优化设计变量的个数是否以达到n，当q>n时，输出最优解集，否则重新优化设计变量。

进一步，所述步骤3的具体实施过程为：在确定优化目标以及设计变量之后，就可以确定优化模型f(b_q)_min＝F(b_q,a_i)，其中，函数F为设计变量b_q与优化目标a_i的权重关系；根据用户自身的要求以及国家标准等，设计的电机往往需要满足一些约束条件 G(B)＝[g₁(b_q),g₂(b_q)····g_s(b_q)]≤0，(s≥1)，其中，g_s(b_q)为具体的约束条件，满足g_s(b_q)≤0。在优化的过程中，在优化完一个设计变量b_q之后，令设计变量个数q＝q+1，紧接着优化下一个设计变b_q+1。当q＞n，表示所有设计变量b₁,····b_q,b_q+1····bn都已被优化，输出最优解集，否则重新优化设计变量。

进一步地，步骤2中，固定的铁氧体永磁体对钕铁硼永磁体偏置后带来磁链和磁阻中心轴的偏移有阻碍作用。利用铁氧体永磁体对两者偏移阻碍程度的差异，实现电机d轴磁路的重新规划，即实现对交直轴电流分量i_d、i_q占比的重新分配，实现磁能效率最大化。

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：

1、本发明的第一层优化方案可以通过钕铁硼永磁体偏置重新规划d轴磁路重新分配交直轴电流分量。通过合理地分配交直轴电流分量，电机的输出转矩和永磁体抗退磁能力得以改善，实现永磁体磁能效率最大化。同时，该方法具有普遍适用性，适合采用两种永磁磁源的混合永磁电机优化设计应用。

2、本发明可以同时对多个优化目标进行优化，在多个优化目标相互冲突情况下，有效的权衡多个优化目标以求取综合最优解。同时，该方法具有普遍适用性和多目标全局收敛性，适合电机优化设计应用。

3、本发明提到的分层多目标优化设计在原有的传统多目标优化基础上引入了考虑永磁体偏置的局部拓扑结构优化，弥补了传统多目标优化无法高效优化混合永磁电机的缺点，实现最大化优化混合永磁电机的性能。该方法具有普遍适用性，适合采用两种永磁磁源的混合永磁电机优化设计应用。

附图说明

图1为本发明提到的优化设计方法流程图

图2为本发明实施例对称放置混合永磁电机的拓扑结构

其中：1为定子，2为钕铁硼永磁体，3为铁氧体永磁体，4为电枢绕组，5为磁障，6为转子。

图3为钕铁硼永磁体偏置放置后的p转子结构

图4为非对称转子结构电机的永磁转矩和磁阻转矩的dq轴坐标系；(a)永磁转矩(b)磁阻转矩；

图5为混合永磁电机矩角特性优化前后波形图；(a)永磁转矩(b)磁阻转矩；

图6为混合永磁电机最大输出转矩优化前后波形图

图7为混合永磁电机中铁氧体永磁体磁密优化前后波形图

图8为混合永磁电机中铁氧体永磁体磁密优化前后波形图

图9为混合永磁电机铁芯损耗优化前后波形图

具体实施方式

下面结合具体实施例和说明书附图对本发明进行详细说明。

本发明给出的基于混合永磁同步电机的分层多目标优化设计方法，其具体的优化过程可参见图1，主要包括以下几个步骤：

步骤1、进行第一层局部拓扑结构优化。围绕转子圆周单向逆时针偏移两种永磁体中的钕铁硼永磁体，每块钕铁硼永磁体的径向中心线与相邻铁氧体永磁体的对称轴之间的夹角α即为偏移角度。

步骤2、利用等效磁路法分析钕铁硼永磁体偏置前后磁路变化，并推导永磁体偏置后磁势磁导分布和磁链偏移情况，分析钕铁硼永磁体偏置、磁路、磁势磁导与磁链之间的关系。

步骤3、利用解析法建立钕铁硼永磁体偏置角度与磁链磁阻中心轴d轴偏移角度的联系。再结合参数化扫描方法，分析对比不同钕铁硼永磁体偏置角度下的电机矩角特性，综合考虑d轴磁路偏移角度和输出转矩幅值，选取永磁体偏置角度最优解，实现磁能效率最大化，完成局部拓扑优化。

步骤4、在完成第一层局部拓扑优化，确定电机特定结构后，进行第二层多目标优化。根据电机的应用背景及自身设计特性，确定电机的优化目标a₁,a₂,a₃,····a_i,a_i+1,····a_m(一般 m≥3,i<m)以及构建待优化的设计变量b₁,b₂,b₃,····b_q,b_q+1····b_n(一般n≥5,q<n)和设计变量的取值范围。

在确定优化目标以及设计变量之后，就可以确定优化模型f(b_q)_min。

f(b_q)_min＝F(b_q,a_i)

其中，函数F为设计变量b_q与优化目标a_i的权重关系。

步骤5、根据用户自身的要求以及国家标准等，设计的电机往往需要满足一些约束条件G(B)＝[g₁(b_q),g₂(b_q)····g_s(b_q)]≤0,(s≥1)

其中，g_s(b_q)为具体的约束条件，满足g_s(b_q)≤0。

步骤6、在优化的过程中，在优化完一个设计变量b_q之后，令设计变量个数q＝q+1，紧接着优化下一个设计变b_q+1。当q＞n，表示所有设计变量b₁,····b_q,b_q+1····bn都已被优化，输出最优解集。否则，回到步骤5。

步骤7、在优化完成之后，需要验证优化方法的有效性。

为了直观地说明本发明提到的优化设计方法，本发明以一台对称放置混合永磁电机为实施例，详细阐述本发明基于混合永磁同步电机的分层多目标优化设计方法。

图2为该电机的拓扑结构图，图中1为定子，2为钕铁硼永磁体，3为铁氧体永磁体，4为电枢绕组，5为磁障，6为转子。本发明实施例为12槽/10极的永磁同步电机，转子内嵌两种永磁体。其中靠近气隙的钕铁硼永磁体沿着转子圆周呈“一”字型排布，铁氧体永磁体靠近转轴呈轮辐式排布，每块钕铁硼永磁体的径向中心线与相邻铁氧体永磁体的对称轴。

本发明根据图1的优化流程图，以图2中对称转子结构混合永磁电机作为实施例，优化过程主要包括以下几个步骤：

步骤1、在确定特殊结构后，围绕转子圆周单向逆时针偏移两种永磁体中的钕铁硼永磁体，每块钕铁硼永磁体的径向中心线与相邻铁氧体永磁体的对称轴之间的夹角α即为偏移角度，如图3所示。

步骤2、利用等效磁路法分析钕铁硼永磁体偏置前后磁路变化，并推导永磁体偏置后磁势磁导分布和磁链偏移情况，分析钕铁硼永磁体偏置、磁路、磁势磁导和磁链之间的关系。

步骤3、利用解析法建立钕铁硼永磁体偏置角度与磁链磁阻中心轴d轴偏移角度的联系。其中，磁链中心轴d轴即为永磁转矩d轴，磁阻中心轴即为磁阻转矩d轴。图4呈现了钕铁硼永磁体偏置后永磁转矩与磁阻转矩d轴的偏移情况。其中，θ_PM为永磁转矩d轴偏移角度和θ_R为磁阻转矩d轴偏移角度。图5为永磁转矩和磁阻转矩各自d轴在dq轴坐标系中的偏移情况。最后再结合参数化扫描方法，分析对比不同钕铁硼永磁体偏置角度下的电机矩角特性，综合考虑d轴磁路偏移角度和输出转矩幅值，选取永磁体偏置角度最优解，实现磁能效率最大化，完成局部拓扑优化。

步骤4、在完成第一层局部拓扑优化，进行第二层多目标优化。将钕铁硼永磁体长度 L_n、钕铁硼永磁体宽度W_n、铁氧体永磁体长度L_fe、铁氧体永磁体宽度W_fe、钕铁硼永磁体到轴芯的距离h_pm与钕铁硼永磁体右侧磁障长度L_fb这6个设计变量确定为电机待优化设计变量B＝[b₁,b₂,b₃,b₄,b₅,b₆]，其中，每个设计变量的取值范围为min b_q≤b_q≤max b_q，1<q<6。min b_q，max b_q分别为设计变量的最小值和最大值。

转矩输出能力始终是衡量电机的优劣的关键指标，追求经济效益也始终是企业的终极目标。且考虑到减小损耗，实现高效，本次多目标优化设计将电机的输出转矩，永磁体成本和铁芯损耗定为优化目标。

输出转矩T_out可以表示为：

其中，T_pm、T_r分别为永磁转矩、磁阻转矩，p、ψ_pm、I_d、I_q、L_d、L_q分别为极对数、永磁磁链、d轴电流、q轴电流、d轴电感、q轴电感。

至于永磁体成本，主要考虑价格高昂的钕铁硼永磁体的用量，优化前后永磁体成本比较可直接用体积比表示，成本系数k_RE可以表示为：

其中，V₁、V₂分别为优化前样机钕铁硼永磁体体积、优化后电机钕铁硼永磁体体积。

铁芯损耗W_core可以表示为：

其中，W_e、W_h分别为涡流损耗和磁滞损耗，k_e、k_h分别为涡流损耗系数和磁滞损耗系数，f₁、B_α分别为基波频率和α次谐波磁密。

在确定优化目标和设计变量之后，就可以确定优化模型f(b_q)_min。

minb_q≤b_q≤maxb_q,q＝1,2…6 (5)

其中，T'_out(b_q)、k'_RE(b_q)、W'_core(b_q)分别为输出转矩、永磁体成本系数和铁芯损耗的初始值， T_out(b_q)、k_RE(b_q)、W_core(b_q)分别为输出转矩、永磁体成本系数和铁芯损耗最优值，ω_t、ω_k、ω_Wc分别为输出转矩、永磁体成本系数和铁芯损耗三个优化目标的权重系数,且满足ω_t+ω_k+ω_Wc＝1。

步骤5、根据用户自身的要求以及国家标准等，设计的电机需要满足以下约束条件：

输出转矩：g₁(b_q)＝T_min-T_out≤0；

成本系数：g₂(b_q)＝K_RE-(K_RE)_max≤0；

铁芯损耗：g₃(b_q)＝W_core-(W_core)_max≤0；

将上述约束条件汇总可得：

G(B)＝[g₁(b_q),g₂(b_q),g₃(b_q)]≤0；

其中，T_min为输出转矩最小值，(K_RE)_max为成本系数最大值，(W_core)_max为铁芯损耗最大值

步骤6、在优化的过程中，在优化完一个设计变量b_q之后，令设计变量个数q＝q+1，紧接着优化下一个设计变量b_q+1。当q＞6，表示所有设计变量都已被优化，输出最优解集。否则，回到步骤5。

步骤7、在优化完成之后，需要验证优化方法的有效性。在本发明的实施例中，在钕铁硼永磁体偏移角度和各个设计变量的最优值后，分析对比电机优化前后的电磁性能分析，参见图6、图7、图8、图9。从图6中可以看出，优化后，电机的最大转矩电流角明显变小，且最大输出转矩明显增大。从图7中也可看出，优化后，输出转矩明显增大。从图8 中可以看出，优化后，电机的永磁体工作点改善，抗退磁能力增强。从图9中可以看出，优化后，电机的铁芯损耗明显降低。而且，优化后，电机的永磁体成本系数K_RE从降为0.94，钕铁硼永磁体用量减少。因此，优化前后对比结果验证了该优化方法的有效性。

以上是以图2的对称结构混合永磁电机为实施例对本发明进行说明，但本发明并不限制在图2电机上，对其它结构的混合永磁电机本发明同样适用。

另外，需要理解的是，本次优化优化过程主要分为两层。第一层优化主要是针对混合永磁电机的特定结构，通过围绕转子圆周偏移两种不同磁能积永磁体中的钕铁硼永磁体进行d轴磁路重新规划，进行局部拓扑结构优化，实现永磁体磁能利用效率最大化。但是，本发明并不局限于上述特定的实施方法，本领域技术人员可以在不脱离本构思前提下，采用其它的方法，但这并不影响本发明的实质内容，这些都属于本发明的保护范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种基于混合永磁同步电机的分层多目标优化设计方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1、进行第一层拓扑结构优化：通过偏置钕铁硼永磁体改变两种永磁体的相对位置，实现d轴磁路重新规划和磁能效率最大化，完成局部拓扑结构优化；

步骤2、在完成第一层局部拓扑结构优化，确定特定结构后，进行第二层多目标优化；选取优化目标a₁,a₂,a₃,····a_i,a_i+1,····a_m和关键设计变量b₁,b₂,b₃,····b_q,b_q+1····b_n以及设计变量的取值范围，m是优化目标个数，m≥3，n是关键设计变量个数，n≥5；

步骤3、选取优化目标和设计变量后，确定优化模型f(b_q)_min＝F(b_q,a_i)以及优化的约束条件G(B)＝[g₁(b_q),g₂(b_q)····g_s(b_q)]≤0，s≥1，其中F为关键设计变量b_i与优化目标a_i之间的权重关系，g_s(b_q)是单个约束条件，满足g_s(b_q)≤0；通过软件仿真，得到m个优化目标与n个设计变量之间的关系，确定m个优化目标a₁,…a_m的综合最优解。

2.根据权利要求1所述基于混合永磁同步电机的分层多目标优化设计方法，其特征是：步骤1中，固定的铁氧体永磁体对钕铁硼永磁体偏置后带来磁链和磁阻中心轴的偏移有阻碍作用，利用铁氧体永磁体对两者偏移阻碍程度的差异，实现电机d轴磁路的重新规划，实现磁能效率最大化。

3.根据权利要求2所述基于混合永磁同步电机的分层多目标优化设计方法，其特征是：实现对电机d轴磁路的重新规划即可实现转矩电流角可控，通过调控转矩电流角重新分配对电机交轴电流i_q，直轴电流i_d的占比，转矩电流角最小化实现电机交轴电流i_q最大化，直轴电流i_d最小化，从而增强永磁转矩改善输出转矩和减小去磁电流增强永磁体抗退磁能力，最终实现磁能效率最大化，完成局部拓扑优化。

4.根据权利要求1所述基于混合永磁同步电机的分层多目标优化设计方法，其特征是：所述步骤2的具体实施过程为：根据电机的设计要求和用户自身要求，选取m个待优化的目标a₁,a₂,a₃,····a_i,a_i+1,····a_m和与优化目标相关的n设计变量b₁,b₂,b₃,····b_q,b_q+1····b_n，再结合电机本身结构尺寸和用户自身要求确定n个设计变量各自的取值范围，其中m≥3，n≥5。

5.根据权利要求1所述基于混合永磁同步电机的分层多目标优化设计方法，其特征是：步骤3中，在优化完设计变量b_q之后，令q＝q+1，接着优化下一个设计变量b_q+1；判断以优化设计变量的个数是否以达到n，当q>n时，输出最优解集，否则重新优化设计变量。

6.根据权利要求1所述基于混合永磁同步电机的分层多目标优化设计方法，其特征是：所述步骤3的具体实施过程为：在确定优化目标以及设计变量之后，就可以确定优化模型f(b_q)_min＝F(b_q,a_i)，其中，函数F为设计变量b_q与优化目标a_i的权重关系；根据用户自身的要求以及国家标准，设计的电机需要满足一些约束条件G(B)＝[g₁(b_q),g₂(b_q)····g_s(b_q)]≤0，(s≥1)，其中，g_s(b_q)为具体的约束条件，满足g_s(b_q)≤0，在优化的过程中，在优化完一个设计变量b_q之后，令设计变量个数q＝q+1，紧接着优化下一个设计变b_q+1，当q＞n，表示所有设计变量b₁,····b_q,b_q+1····bn都已被优化，输出最优解集，否则重新优化设计变量。

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