CN115241997B - 基于定子槽结构优化的交流牵引电机电磁降噪优化设计方法 - Google Patents

基于定子槽结构优化的交流牵引电机电磁降噪优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于定子槽结构优化的交流牵引电机电磁降噪优化设计方法，是在开槽尺寸x、y一定时，计算交流牵引电机的噪声最小时在其定子槽底部的最优开槽位置尺寸h'；根据所得最优开槽位置，设置不同开槽尺寸x'、y'，计算对应的电磁噪声及效率，再根据电磁噪声和效率与其槽口长边x'、宽边y'间的函数关系，构建在电磁噪声最小和效率最大的目标函数，求得交流牵引电机定子槽底部槽口的最佳长、宽边尺寸。与现有技术相比，根据所得最佳长、宽边槽口尺寸对其定子槽底部进行开槽处理后，可在保持电机效率基本不受影响的前提下，达到有效降低其电磁噪声的目的。该发明具有方法实现简单、降噪效果好等特点。

Description

基于定子槽结构优化的交流牵引电机电磁降噪优化设计方法
技术领域
本发明涉及电机降噪领域，具体涉及一种基于定子槽结构优化的交流牵引电机电磁降噪优化设计方法。
背景技术
交流牵引电机具有结构简单、效率高、调速方便等系列优点，目前已广泛应用于电力机车、城市轨道交通等众多领域。然而其运行时由于会产生较大的噪声，不仅恶化了工作环境，而且对人们的身心健康都将造成不利影响，因此对其开展降噪研究具有重要的现实意义。
在引起交流牵引电机噪声的多种因素中，电磁噪声是其主要因素之一。目前国内外在如何有效降低电机电磁噪声方面已开展了大量研究，并提出了多种方法，主要包括通过优化电机定转子结构参数、采用不同定转子斜槽结构、选择合适的槽配合、抑制变频器输出谐波等，虽然都取得了一定的效果，但离现实需求却仍存在一定的距离，同时现有降噪方法还存在使电机效率等指标受到不同程度影响的不足。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种实现方法简单、降噪效果好的基于定子槽结构优化的交流牵引电机电磁降噪优化设计方法。
本发明提供的一种基于定子槽结构优化的交流牵引电机电磁降噪优化设计方法，其步骤具体如下：
(1)在交流牵引电机定子槽的槽宽范围内，在定子槽底部某一侧边开始依次选取p组开槽位置尺寸h；
(2)根据步骤(1)所选取的p组开槽位置尺寸h，确定每组开槽位置尺寸h处开相同尺寸的槽口，并对电机进行有限元分析，得到不同开槽位置尺寸对应的电磁噪声值；
(3)根据步骤(2)所得p组电磁噪声值及其相应的位置尺寸h，采用数值拟合方法得到电磁噪声与相应位置尺寸间的函数关系f(h)；
(4)根据步骤(3)所得函数关系式求电磁噪声极小值，得电磁噪声取极小值时所对应的开槽位置尺寸，即其定子槽的最佳开槽位置尺寸；
(5)根据步骤(4)所确定的定子槽最佳开槽位置尺寸及电机结构尺寸确定其矩形槽口长、宽边尺寸的取值范围，并在其取值范围内分别等间距选取n组长、宽边尺寸数据；
(6)根据步骤(5)对所确定的每组长、宽边尺寸组合开相应的矩形槽口，对电机进行有限元分析，得到相应的n组电磁噪声与效率数据；
(7)根据步骤(6)所得n组电磁噪声和效率及其相应的长、宽边尺寸数据，采用数值拟合方法分别得到电磁噪声和效率与其槽口长、宽边尺寸间的函数关系；
(8)以电机电磁噪声最低和效率最高为优化目标，以步骤(7)所得电磁噪声和效率与其槽口长、宽边尺寸间的函数关系为目标函数，计算其最佳长、宽边尺寸；
(9)根据步骤(8)所得最佳长、宽边尺寸，在电机定子槽的最佳开槽位置处开出相应的矩形槽口，即可在保持电机效率基本不受影响的前提下，达到有效降低其电磁噪声的目的。
优选地，所述步骤(3)中采用数值拟合方法得到电机电磁噪声与相应位置尺寸间的函数关系，具体为：
f(h)＝a4h4+a3h3+a2h2+a1h+a0 (1)
式中：f(h)为电磁噪声函数，a4、a3、a2、a1、a0分别为电磁噪声函数的系数，h为定子槽底部开槽位置尺寸。
优选地，步骤(5)中定子槽内矩形槽口尺寸取值范围为长边x＝bs-h'，宽边y＝1/3h1，即所述长边取值范围在其定子槽宽减去最佳开槽位置尺寸的范围内，所述宽边取值范围为定子槽底至定子通风孔间距离的三分之一范围内。
优选地，所述步骤(7)中电机电磁噪声和效率与其矩形槽口长、宽尺寸间的函数关系为：
式中：f(x,y)、g(x,y)分别为电磁噪声和效率的函数；x为矩形槽口的长度，y为矩形槽口的宽度；ai、bj分别为函数f(x,y)中的系数；ci、dj分别为函数g(x,y)中的系数；n、m分别为函数f(x,y)中的项数；k、s分别为函数g(x,y)中的项数；各系数和项数均通过数值拟合方法得到。
优选地，所述步骤(8)中通过非支配排序遗传算法得到定子槽底矩形槽口最佳长、宽尺寸，其具体步骤如下：
(8.1)建立两个优化目标对应的目标函数
设电磁噪声和效率对应的目标函数分别用f1(z)和g1(z)表示，并分别以最小化电磁噪声和最大化效率作为其目标函数，即：
f1(z)＝f(x,y) (4)
g1(z)＝1/g(x,y) (5)
(8.2)确定初始化种群个体数量N，设置最大迭代次数Dmax，取变量v的初始值为1；
(8.3)随机生成第v代父代种群Rv；
(8.4)将第v代父代种群Rv通过非支配排序和选择、交叉、变异生成该代子代种群Pv，并将Rv与Pv合并得到第v代种群Hv；
(8.5)将种群Hv中每个个体zvi(i＝1,…,2N)代入目标函数f1(z)和g1(z)中，得到相应的目标函数值f1(zvi)和g1(zvi)；
(8.6)根据步骤(8.5)所得各个个体的目标函数值，采用非支配排序遗传算法进行优化，得到第v+1代父代种群Rv+1；
(8.7)判断迭代次数是否达到最大迭代次数Dmax，若达到，则进入步骤(8.8)；否则，将迭代次数v加1后，返回步骤(8.4)；
(8.8)输出父代种群Rv+1，，构建决策权重函数u(z(v+1)i)，具体为：
u(z(v+1)i)＝m1f1(z(v+1)i)+m2g1(z(v+1)i) (5)
式中：m1为电机电磁噪声的权重系数，m2为电机效率的权重系数，且m1+m2＝1。
(8.9)根据式(5)计算每个个体对应的决策权重函数值，取其中最小值对应的个体作为最优解，由此得到矩形槽口的最优长、宽尺寸。
与现有技术相比，本发明提供的基于定子槽结构优化的交流牵引电机电磁降噪优化设计方法，即通过在交流牵引电机定子槽底部某侧边开始，并在其槽宽范围内等间距依次选取多组位置尺寸，针对每组位置尺寸处开相同尺寸的槽口并进行相应的有限元分析，根据所得电磁噪声值及其相应的位置尺寸采用数值拟合方法得到其对应的函数关系式，针对所得函数关系式采取求极值的方法即可得到电机的最佳开槽位置尺寸；再针对所确定的最佳开槽位置处开相应的矩形槽口，并分别在该矩形槽口的长、宽边尺寸取值范围内等间距选取多组数据，针对每组长、宽边尺寸数据开出相应的矩形槽口并对电机进行有限元分析，得到相应的电磁噪声和效率值；根据所得电磁噪声和效率值及其相应的矩形槽口长、宽边尺寸数据，采用数值拟合方法分别得到其电磁噪声和效率与其矩形槽口长、宽边尺寸间的函数关系；根据所得函数关系并采用非支配排序遗传算法求得其矩形槽口的最佳长、宽边尺寸；由此，将交流牵引电机中所有可变参数h、x、y、噪声、效率进行相互优化，得到可变参数的最优值，即可根据所得最佳开槽位置尺寸、最佳开槽长、宽边尺寸对电机定子槽底部进行开槽处理后，即可在保持电机效率基本不受影响的前提下，达到有效降低其电磁噪声的目的。
附图说明
图1为本发明提供的交流牵引电机最佳开槽位置及最佳槽口尺寸确定方法流程图；
图2为本发明实施例中的交流牵引电机定子结构示意图；
图3为本发明实施例中的交流牵引电机定子槽底部开槽位置与开矩形槽口示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步具体的说明。
图1为交流牵引电机最佳开槽位置及最佳槽口尺寸确定方法流程图，所述方法包括如下步骤：
(1)从交流牵引电机定子槽底部某侧边开始，在其槽宽范围内等间距依次选取多组位置尺寸，具体如下：
①以通用电机YQ-230型号交流牵引电机为例(本公开实施例仅列举一种情况，实际本发明可用于任意一种交流牵引电机)，其主要参数如表1所示，其定子结构示意图参见图2，图中各标号分别为：1-定子铁芯，2-定子轭部，3-定子通风孔，4-定子齿部，5-定子槽。
表1 YQ-230交流牵引电机主要参数
额定功率 额定频率 定子槽宽 定子齿长 定子轭高
230kW 50Hz 12.7mm 35mm 160mm
②确定开槽位置尺寸
在电机定子槽底部某侧边开始，并在其定子槽宽范围内，等间距依次选取11组开槽位置尺寸，分别为该电机定子槽底部距该侧边距离h＝1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm处进行开槽。
(2)在步骤(1)所确定的每组位置尺寸h处开相同尺寸的矩形槽口，并分别进行相应的有限元分析；其中，图3为其开槽位置和开槽槽口示意图，图中各标号分别表示：6-开槽槽口，bs-定子槽宽度，hys-定子轭部高度，h-定子槽底部某侧边至矩形槽口的距离(即开槽位置尺寸)，h1-定子槽底部至定子通风孔的距离，x-矩形槽口长度，y-矩形槽口宽度。
如任取矩形槽口的长、宽边尺寸分别为x＝1mm、y＝1.2mm，对电机进行有限元分析，得到各组位置尺寸h对应的电磁噪声数据，如表2所示。
表2开槽位置尺寸及其对应的电磁噪声值
(3)根据表2所得开槽位置尺寸及其对应的电磁噪声值，采用最小二乘法进行数值拟合，得到其电磁噪声与相应位置尺寸间的函数关系，具体如下：
f(h)＝-0.003012h4+0.0611h3-0.1441h2-1.902h+68.96
式中：h为定子槽底部开槽位置尺寸。
(4)针对步骤(3)所得函数关系式求极值，得到其电磁噪声取极小值时所对应的开槽位置尺寸，即最佳开槽位置尺寸，具体为：h'＝5.42mm。
(5)在步骤(4)所得最佳开槽位置即h'＝5.42mm处，开矩形槽口，并在其长、宽边取值范围内分别按0.4mm(任意选取的范围，也可取其他数据如0.2mm、0.3mm等)的间距选取n＝25组数据，具体如表3所示。
(6)根据步骤(5)所确定的每组长、宽边尺寸x'、y'开相应的矩形槽口，并对电机进行有限元分析，得到相应的电磁噪声与效率值，见表3。
表3电机电磁噪声和效率及其相应的长、宽边尺寸数据
(7)根据步骤(6)所得各组电磁噪声和效率及其相应的矩形槽口长、宽边尺寸数据，采用最小二乘法进行数值拟合，分别得到电磁噪声和效率与其槽口长、宽边尺寸间的函数关系，具体如下：
f(x,y)＝68.53+14.48x-6.047y-45.95x2-0.6668xy-0.241y2
+36.49x3-1.743x2y+1.264xy2+0.9876y3-8.776x4
+2.185x3y-1.637x2y2+0.4561xy3
g(x,y)＝94.82-0.0002367x+0.007157y+3.125×10-5x2
-0.0001143xy-0.001165y2+2.604×10-5x3-0.0001116x2y
+4.464×10-5xy2+0.0002865y3
式中：f(x,y)、g(x,y)分别为电磁噪声函数和效率函数，x为矩形槽口长度，y为矩形槽口宽度。
(8)以电机电磁噪声和效率为优化目标，以步骤(7)所得电磁噪声函数和效率函数构建相应的目标函数，对其进行优化，得到其矩形槽口的最佳长、宽边尺寸，具体步骤为：
(8.1)建立两个优化目标对应的目标函数
设电磁噪声和效率对应的目标函数分别用f1(z)和g1(z)表示，并分别以最小化电磁噪声和最大化效率作为其目标函数，即：
f1(z)＝f(x,y)
g1(z)＝1/g(x,y)
(8.2)设置相关参数为：初始化种群个体数量为N＝200，最大迭代次数取Dmax＝100，变量v的初始值为1，
(8.3)随机生成第v代父代种群Rv；
(8.4)将第v代父代种群Rv通过非支配排序和选择、交叉、变异生成该代子代种群Pv，并将第v代父代Rv与其子代Pv合并成v代种群Hv；
(8.5)将种群Hv中每个个体zvi(i＝1,…,2N)分别代入目标函数f1(z)和g1(z)中，得到相应的目标函数值f1(zvi)和g1(zvi)；
(8.6)根据步骤(8.5)所得各个体的目标函数值，采用非支配排序遗传算法进行优化，得到第v+1代父代种群Rv+1；
(8.7)判断迭代次数是否达到最大迭代次数Dmax＝100，若达到，则进入步骤(8.8)；否则，将迭代次数v加1后，返回步骤(8.4)；
(8.8)输出父代种群Rv+1，构建决策权重函数u(z(v+1)i)，并取电磁噪声和效率的权重系数m1和m2分别为0.6和0.4，具体函数关系为：
u(z(v+1)i)＝0.6f1(z(v+1)i)+0.4g1(z(v+1)i)
(8.9)根据步骤(8.8)所得决策权重函数u(z(v+1)i)，计算每个个体对应的决策权重函数值，并取其中最小值对应的个体作为最优解，由此得到矩形槽口的最优长、宽尺寸；所得最优长、宽尺寸分别为x＝1.08、y＝1.355，此时对应的电磁噪声值为58.6456dBA，效率为94.8084％。
本实例与现有技术相比
为了说明本发明提出的基于定子槽结构优化的交流牵引电机电磁降噪优化设计方法的降噪效果，将本发明所提出的方法与专利申请ZL202110300705.5公开的一种交流牵引电机降噪优化设计方法进行对比分析。
两种方法都采用表1所示电机参数进行分析，并分别按两种方法所得最佳尺寸对电机进行相应的开槽处理，再对电机进行相应的有限元分析，得到相应的电磁噪声和效率数据，具体如表4所示。
表4两种方法对应的电磁噪声和效率数据
方法 电磁噪声值(dBA) 效率(％)
本发明提出的方法 58.647 94.8084
对比方法 59.642 94.802
可见，本发明提出的基于定子槽结构优化的交流牵引电机电磁降噪优化设计方法，相对于现有技术，在电机效率得到一定提高的前提下，其电磁噪声得到了明显的下降，由此可见本发明所提出的方法取得了较好的降噪效果。
以上仅为本发明的实施例，研究人员若在此发明技术方案范围内做出修改、改进等，均包含在本发明权利保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于定子槽结构优化的交流牵引电机电磁降噪优化设计方法，其特征在于，是在开槽尺寸x、y一定时，计算交流牵引电机的噪声最小时在其定子槽底部的最优开槽位置尺寸；根据所得最优开槽位置，设置不同开槽尺寸、，计算对应的电磁噪声及效率，再根据电磁噪声和效率与其槽口长边、宽边间的函数关系，构建在电磁噪声最小和效率最大的目标函数，求得交流牵引电机定子槽底部槽口的最佳长、宽边尺寸，包括以下步骤：
步骤S1）从交流牵引电机定子槽底部某侧边开始，在其槽宽范围内等间距依次选取p组 开槽位置尺寸h，按照在p组位置处开槽尺寸为长边x、宽边y进行开槽，拟合得出p组电磁噪 声值及其对应的位置尺寸间的函数关系，计算电磁噪声取极小值时所对应的最优开 槽位置尺寸；
步骤S2）在步骤S1所得最优开槽位置尺寸处，依次选取n组不同开槽尺寸、，对 电机进行有限元分析，计算n组、所对应的电磁噪声及效率，数值拟合得其函数关系，；
步骤S3）根据步骤S2）所得电磁噪声和效率与其槽口长边、宽边间的函数关系，构 建在电磁噪声最小和效率最大的目标函数，，求得交流牵引电机定子槽底部 槽口的最佳长、宽边尺寸；其中，步骤S1）具体包括：
步骤S1.1）从交流牵引电机定子槽底部某侧边开始，在其槽宽范围内等间距依次选取多组位置尺寸h；
步骤S1.2）针对步骤S1.1）所确定的每组位置尺寸h处开相同尺寸的槽口，并对电机进行有限元分析，得到相应的电磁噪声值；
步骤S1.3）根据步骤S1.2）所得多组电磁噪声值及其相应的位置尺寸h，采用数值拟合 方法得到其电磁噪声与相应位置尺寸间的函数关系，具体如下：
；
式中：为电磁噪声函数，、、、、分别为电磁噪声函数的系数，h为 定子槽底部开槽位置尺寸；
步骤S1.4）针对步骤S1.3）所得函数关系式求极值，得到其电磁噪声取极小值时所对应的最优开槽位置尺寸；
步骤S2）具体包括：
步骤S2.1）在步骤S1.4）所得最优开槽位置尺寸处开矩形槽口，并在其长、宽边尺寸取值范围内分别等间距选取n组不同开槽尺寸、数据；其中定子槽内矩形槽口长边取值范围在其定子槽宽减去最佳开槽位置尺寸的范围内，所述宽边取值范围为定子槽底至定子通风孔间距离的三分之一范围内；
步骤S2.2）根据步骤S2.1）所确定的每组长、宽边尺寸组合，开相应的矩形槽口，并对电机进行有限元分析，计算n组、所对应的电磁噪声与效率值；
步骤S2.3）根据步骤S2.2）所得各组电磁噪声和效率及其相应的矩形槽口长、宽边尺寸 数据，采用数值拟合方法分别得到电磁噪声和效率与其矩形槽口长、宽边尺寸间的函数关 系，，具体如下
；
；
式中：、分别为电磁噪声和效率的函数；x为矩形槽口的长度，y为矩 形槽口的宽度；、分别为函数中的系数；、分别为函数中的 系数；n、m分别为函数中的项数；k、s分别为函数中的项数；
各系数和项数均通过数值拟合方法得到；
步骤S3）具体包括：
步骤S3.1）以矩形槽口长、宽边尺寸为优化对象，以电机电磁噪声和效率为优化目标， 以步骤S2.3）所得电磁噪声和效率函数关系构建相应的目标函数，设电磁噪声和效率对应 的目标函数分别用和表示，并分别以最小化电磁噪声和最大化效率作为其目标 函数，即：
；
；
步骤S3.2）确定初始化种群个体数量N，设置最大迭代次数，取变量v的初始值为 1，随机生成第v代父代种群；
步骤S3.3）将第v代父代种群通过非支配排序和选择、交叉、变异生成该代的子代种 群，并将与合并得到第v代种群；
步骤S3.4）将种群中每个个体代入目标函数和中，得到 相应的目标函数值和；.
步骤S3.5）根据步骤S3.4）所得各个体的目标函数值和，采用非支 配排序遗传算法进行优化，得到第v+1代父代种群；
步骤S3.6）判断迭代次数是否达到最大迭代次数，若达到，则进入步骤S3.7）；否 则，将迭代次数v加1后，返回步骤S3.3）；
步骤S3.7）输出父代种群，构建决策权重函数，具体为
；
式中：为电机电磁噪声的权重系数，为电机效率的权重系数，且+=1；
步骤S3.8）根据公式（5）计算每个个体对应的决策权重函数值，取其中最小值对应的个体作为最优解，由此得到矩形槽口的最优长、宽尺寸。
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