CN116911129A - 一种直驱力矩电机辅助槽设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直驱力矩电机辅助槽设计方法，具体为：依据力矩电机设计要求设定电机优化目标；确定定子侧辅助槽数量、结构及初始尺寸；构建参数化电机定子侧结构有限元分析模型；确定力矩电机设计变量及其取值范围，以及优化限制条件；使用多目标优化算法确定定子槽与辅助槽优化模型；编写多目标优化程序；基于多目标优化程序调用有限元分析模型，完成优化，得出Pareto最优解集；基于力矩电机设计要求与Pareto最优解集，确定最终设计方案。本发明在保证直驱力矩电机输出平均转矩变化较小的情况下，较大程度上的改善气隙磁场分布特性，降低电机输出波动转矩，提升直驱力矩电机输出转矩性能与效率，并拓宽所设计电机的应用场合。

Description

一种直驱力矩电机辅助槽设计方法

技术领域

本发明涉及一种直驱力矩电机设计方法，尤其涉及一种直驱力矩电机辅助槽设计方法。

背景技术

直驱力矩电机由于其直接驱动的特性，使得对其转矩输出性能具有较高的要求，特别是对于低速大转矩力矩电机，较低的转矩脉动仍然会产生较大的波动转矩，这将会造成转矩输出的不平稳，使得电机不适用于高精加工场合，同时也会造成较为严重的振动噪声、降低传动系统的使用寿命以及影响控制系统的控制精度，进一步的限制了力矩电机的使用场合。

发明内容

针对上述现有方法存在的不足，本发明提供了一种直驱力矩电机辅助槽设计方法，以解决现有直驱力矩电机输出转矩性能不稳定的问题。

本发明的目的在于提出一种直驱力矩电机辅助槽设计方法，该方法通过使用定子辅助槽结构，基于多目标优化算法完成力矩电机定子槽参数与辅助槽参数的优化，在保证力矩电机额定输出平均转矩满足要求的情况下，进一步降低转矩脉动以及提升效率，进而降低电机的振动噪声，提升控制精度，延长电机的使用寿命，最终实现直驱力矩电机转矩性能等整机综合性能的提升。

本发明提供了一种直驱力矩电机辅助槽设计方法，具体步骤为：

S1：依据力矩电机设计要求，设定电机优化目标；

S2：确定定子侧辅助槽数量、结构以及初始尺寸；

S3：构建参数化电机定子侧结构有限元分析模型；

S4：确定力矩电机设计变量及其取值范围，以及优化限制条件；

S5：使用多目标优化算法确定定子槽与辅助槽优化模型，多目标优化模型为：

min：f(x)

其中，f(x)为优目标，g_i(x)为限制条件，i为限制条件个数，x为设计变量，x_l与x_u为设计变量上下限；

S6：编写多目标优化程序；

S7：基于所述多目标优化程序调用所述电机定子侧结构有限元分析模型，完成优化过程，得出Pareto最优解集；

S8：基于步骤S1的力矩电机设计要求与所述步骤S7的Pareto最优解集，确定最终设计方案。

优选的，所述电机定子侧结构有限元分析模型是对电机定子侧定子槽结构以及辅助槽结构进行参数化建模。

优选的，当设计变量数量较大时，可依据设计者对优化精度的个人需求，决定是否对设计变量空间进行分层，以进行划分子空间多目标优化。

优选的，所述步骤S6具体为：基于程序语言python，编写多目标优化程序，所述多目标优化程序用于实现设计变量的自动赋值与目标性能的自动求解与导出，以及使用差分进化算法的优化过程。

优选的，所述差分进化算法主要流程为：

Step1：设置基本参数，初始化种群，计算个体适应度；

Step2：进行个体变异操作和种群交叉操作，得到中间代种群；

Step3：在原种群和中间代种群中评估、选择个体，生成下一代种群；

Step4：判断是否达到终止条件或进化代数达到最大，若是则终止进化，将得到最佳个体作为最优解输出；若否则返回步骤Step2继续优化。

优选的，所述直驱力矩电机辅助槽设计方法是通过以下推导获得，具体为：

Step1：转子永磁体产生的磁动势被认为是正弦，表示为

f_PM(θ，t)＝F_PMcos(ωt-Pθ)

其中，F_PM为永磁体磁动势幅值，ω为磁场电角速度，t为时间，P为极对数，θ为在定子A相轴线处设置的空间位置角；

Step2：电枢绕组产生的磁动势表示为

其中，F_M(v)为电枢磁动势v次谐波幅值，v＝(1+6k)P，k＝0,1,2…；

Step3：气隙磁导表示为

其中，Λ₀为气隙平均磁导率，A_TS为定子槽齿磁导谐波分量，Z_TS表示定子槽槽数，k_TS为定子槽谐波阶次，θ_TS为定子槽初始相角；

则气隙中的磁密可表示为

B(θ,t)＝B_PM(θ,t)+B_M(θ,t)

其中：

B_PM(θ,t)＝f_PM(θ，t)·Λ(θ)

Step4：由于辅助槽产生谐波的机理与定子槽相同，因此，当电机采用辅助槽结构时，将气隙磁导表示为

其中，A_TA为辅助槽齿磁导谐波分量，Z_TA表示辅助槽槽数，k_TA表示辅助槽谐波阶次，θ_TA为辅助槽初始相角；

此时气隙磁密为

B′(θ,t)＝B′_PM(θ,t)+B′_M(θ,t)

其中：

B′_PM(θ,t)＝f_PM(θ，t)·Λ′(θ)

本发明技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明通过使用定子辅助槽结构，基于多目标优化算法完成定子槽参数与辅助槽参数的优化，在保证力矩电机输出平均转矩满足要求的情况下，进一步降低转矩脉动以及提升效率，进而降低电机的振动噪声，提升控制精度，延长电机的使用寿命，最终实现直驱力矩电机转矩性能等整机综合性能的提升。

2、本发明在保证直驱力矩电机输出平均转矩变化较小的情况下，较大程度上的改善了气隙磁场分布特性，降低了电机输出波动转矩，提升了直驱力矩电机输出转矩性能与效率，并拓宽了所设计电机的应用场合。

3、本发明通过较为简单的设计过程有效且综合性的提升电机性能，具有较强的借鉴意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的直驱力矩电机辅助槽设计方法的流程图；

图2为本发明的直驱力矩电机定子侧结构示意图；

图3为本发明的直驱力矩电机优化后电机结构示意图；

图4为本发明的直驱力矩电机优化算法流程图；

其中：1、定子槽；2、辅助槽I；3、辅助槽II。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1，一种直驱力矩电机辅助槽设计方法，具体步骤为：

S1：依据力矩电机设计要求，设定电机优化目标，所述优化目标包括：额定输出平均转矩T_avg、转矩脉动T_rip和电机效率η；

S2：确定定子侧辅助槽数量、结构以及初始尺寸；

当选择一个辅助槽时，设计变量小，优化效率高，但电机转矩脉动性能提升有限。当选择两个辅助槽时，优化变量增多，通过调整辅助槽参数易得出综合性能较优的设计方案。当辅助槽数量更多时，调整辅助槽参数对转矩脉动影响较小，且由于辅助槽数量的增加，造成平均气隙长度的过度增大，最终造成平均转矩的降低。辅助槽初始尺寸在符合电机几何限制条件下任意给定。

本发明以一台11.8kW，27极28槽，额定转速为150rpm的力矩电机为例，辅助槽数量选择为2，其结构如图2所示。

S3：构建参数化电机定子侧结构有限元分析模型；

优选的，所述电机定子侧结构有限元分析模型是对电机定子侧定子槽结构以及辅助槽结构进行参数化建模。

本发明中电机定子侧结构有限元分析模型是基于有限元分析工具构建。

S4：确定力矩电机设计变量及其取值范围，以及优化限制条件：所述设计变量包括定子槽槽口宽Bs0、槽肩高Hs1、槽高Hs2，辅助槽I槽宽Ba10、两侧槽高Ha11和Ha12、槽深Ha13以及位置角α_aI，辅助槽Ⅱ槽宽Ba20、两侧槽高Ha21和Ha22、槽深Ha23以及位置角α_aⅡ；设计变量取值范围基于电机实际尺寸的限制设定，在步骤S5详细列出；优化限制条件为优化后的额定输出平均转矩T_avg的减少量不能大于优化前额定输出平均转矩T_avg的5％；

本发明从定子槽与辅助槽各项参数，即从定子槽槽口宽度，槽宽以及槽深，辅助槽位置、槽宽、两侧高度作为等各个设计变量中选择待优化设计变量。给定各个设计变量取值范围，并综合考虑各项设计变量取值范围是否符合电机几何尺寸限制条件。

由于辅助槽结构会增加等效气隙长度，从而存在降低额定平均转矩的问题，为了避免额定平均转矩降低程度过大，本发明在优化过程中对额定输出平均转矩T_avg值进行限制，使其减少量不能大于优化前额额定输出平均转矩T_avg的5％。

优选的，当设计变量数量较大时，可依据设计者对优化精度的个人需求，决定是否对设计变量空间进行分层，以进行划分子空间多目标优化。

本发明中由于待优化设计变量数量较大，为了保证足够的优化精度，划分了子空间进行多目标优化，首先进行定子槽槽口宽Bs0、槽肩高Hs1、槽高Hs2的优化，之后对辅助槽各项设计变量辅助槽I槽宽Ba10、两侧槽高Ha11和Ha12、槽深Ha13以及位置角α_aI，辅助槽Ⅱ槽宽Ba20、两侧槽高Ha21和Ha22、槽深Ha23以及位置角α_aⅡ进行优化。

S5：使用多目标优化算法确定定子槽与辅助槽优化模型，多目标优化模型为：

min：f(x)

其中，f(x)为优目标，g_i(x)为限制条件，i为限制条件个数，x为设计变量，x_l与x_u为设计变量上下限；

因此，定子槽参数优化模型表示为

辅助槽参数优化模型表示为

其中，T′_avg，T′_rip，η′为电机未设置辅助槽结构时的额定输出平均转矩、转矩脉动以及电机效率，Dsi表示定子内径；

本发明中，T′_avg，T′_rip，η′分别取值792N·m、5.0％、93.6％。

多目标优化(Multiobiective Optim ization)是指要找出一个能同时满足所有的优化目标的解,而这个解通常是以一个不确定的点集形式出现。因此多目标优化的任务就是要找出这个解集的分布情况，并根据具体情况找出适合问题的解。

S6：编写多目标优化程序；

多目标优化具有多种优化算法，本发明选择易收敛、优化精度高的差分进化算法进行多目标优化。差分进化算法(Differential Evolution Algorithm，DE)是一种高效的全局优化算法，它是一类基于群体的自适应全局优化算法，属于演化算法的一种，由于其具有结构简单、容易实现、收敛快速、鲁棒性强等特点，因而被广泛应用在数据挖掘、模式识别、数字滤波器设计、人工神经网络、电磁学等各个领域。

差分进化思想来源于遗传算法，模拟遗传学中的杂交、变异、复制来设计遗传算子。该算法是一类基于群体的自适应全局优化算法，属于演化算法的一种。

差分进化算法相对于遗传算法而言，相同点都是通过随机生成初始种群，以种群中每个个体的适应度值为选择标准，主要过程也都包括变异、交叉和选择三个步骤。不同之处在于遗传算法是根据适应度值来控制父代杂交，变异后产生的子代被选择的概率值，在最大化问题中适应值大的个体被选择的概率相应也会大一些。而差分进化算法变异向量是由父代差分向量生成，并与父代个体向量交叉生成新个体向量，直接与其父代个体进行选择。

优选的，所述步骤S6具体为：基于程序语言python，编写多目标优化程序，所述多目标优化程序用于实现设计变量的自动赋值与目标性能的自动求解与导出，以及使用差分进化算法的优化过程。

参照图4，优选的，所述差分进化算法主要流程为：

Step1：设置基本参数，初始化种群，计算个体适应度；

Step2：进行个体变异操作和种群交叉操作，得到中间代种群；

Step3：在原种群和中间代种群中评估、选择个体，生成下一代种群；

Step4：判断是否达到终止条件或进化代数达到最大，若是则终止进化，将得到最佳个体作为最优解输出；若否则返回步骤Step2继续优化。

由于本发明所述优化目标未设置具体阈值，因此本发明使用差分进化算法进行优化过程中，迭代终止条件为完成初始设定的最大迭代次数。

本发明设置的迭代终止条件是根据本次设计实际需求设置，在具体使用过程中，其余设计人员可根据其实际需求自行设置。

S7：基于所述多目标优化程序调用所述电机定子侧结构有限元分析模型，完成优化过程，得出Pareto最优解集；

本发明中以优化目标性能与限制条件为评估依据，在设计空间内，基于所述多目标优化程序调用所述电机定子侧结构有限元分析模型，完成定子槽参数与辅助槽参数的优化与迭代，最终得出由非支配解集组成的Pareto最优解集。

S8：基于步骤S1的力矩电机设计要求与所述步骤S7的Pareto最优解集，确定最终设计方案，优化后结构如图3所示。

根据设计者针对于力矩电机的设计要求，对Pareto最优解集上各个设计方案进行选择，即对比Pareto最优解集上各个设计方案额定输出平均转矩、转矩脉动以及电机效率这三个优化目标性能，从中选择出定子槽与辅助槽结构最优尺寸参数。设计变量优化前后参数取值及目标性能对比如表1-2所示，其中优化前表示电机未设置辅助槽结构。

表1

表2

优化目标	单位	优化前	优化后
				额定输出平均转矩	N·m	792	789
转矩脉动	％	5.0	3.1
				电机效率	％	93.6	94.1

本发明是通过设计辅助槽结构来提高输出转矩性能的方法是通过以下推导获得，具体为：

Step1：转子永磁体产生的磁动势被认为是正弦，表示为

f_PM(θ，t)＝F_PMcos(ωt-Pθ)

其中，F_PM为永磁体磁动势幅值，ω为磁场电角速度，t为时间，P为极对数，θ为在定子A相轴线处设置的空间位置角；

Step2：电枢绕组产生的磁动势表示为

其中，F_M(v)为电枢磁动势v次谐波幅值，v＝(1+6k)P，k＝0,1,2…；

Step3：气隙磁导表示为

其中，Λ₀为气隙平均磁导率，A_TS为定子槽齿磁导谐波分量，Z_TS表示定子槽槽数，k_TS为定子槽谐波阶次，θ_TS为定子槽初始相角；

则气隙中的磁密可表示为

B(θ,t)＝B_PM(θ,t)+B_M(θ,t)

其中：

Step4：由于辅助槽产生谐波的机理与定子槽相同，因此，当电机采用辅助槽结构时，将气隙磁导表示为

其中，A_TA为辅助槽齿磁导谐波分量，Z_TA表示辅助槽槽数，k_TA表示辅助槽谐波阶次，θ_TA为辅助槽初始相角；

此时气隙磁密为

B′(θ,t)＝B′_PM(θ,t)+B′_M(θ,t)

其中：

B′_PM(θ,t)＝f_PM(θ，t)·Λ′(θ)

由以上分析可知，通过选取合适尺寸、位置的辅助槽结构，改变气隙磁导，可以产生与定子槽开槽造成相位相反的谐波，一定程度的降低气隙中的谐波含量，改善气隙磁场分布特性，由此便能针对性的提升电机转矩性能。

本发明设计的直驱力矩电机辅助槽设计方法，可以在保证力矩电机额定输出平均转矩满足要求的情况下，进一步降低转矩脉动以及提升效率，进而降低电机的振动噪声，提升控制精度，延长电机的使用寿命。

本发明通过较为简单的设计过程有效且综合性的提升电机性能，具有较强的借鉴意义。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种直驱力矩电机辅助槽设计方法，其特征在于，具体步骤为：

S1：依据力矩电机设计要求，设定电机优化目标；

S2：确定定子侧辅助槽数量、结构以及初始尺寸；

S3：构建参数化电机定子侧结构有限元分析模型；

S4：确定力矩电机设计变量及其取值范围，以及优化限制条件；

S5：使用多目标优化算法确定定子槽与辅助槽优化模型，多目标优化模型为：

min：f(x)

其中，f(x)为优目标，g_i(x)为限制条件，i为限制条件个数，x为设计变量，x_l与x_u为设计变量上下限；

S6：编写多目标优化程序；

S7：基于所述多目标优化程序调用所述电机定子侧结构有限元分析模型，完成优化过程，得出Pareto最优解集；

S8：基于步骤S1的力矩电机设计要求与所述步骤S7的Pareto最优解集，确定最终设计方案。

2.根据权利要求1所述的直驱力矩电机辅助槽设计方法，其特征在于，所述电机定子侧结构有限元分析模型是对电机定子侧定子槽结构以及辅助槽结构进行参数化建模。

3.根据权利要求2所述的直驱力矩电机辅助槽设计方法，其特征在于，当设计变量数量较大时，可依据设计者对优化精度的个人需求，决定是否对设计变量空间进行分层，以进行划分子空间多目标优化。

4.根据权利要求3所述的直驱力矩电机辅助槽设计方法，其特征在于，所述步骤S6具体为：基于程序语言python，编写多目标优化程序，所述多目标优化程序用于实现设计变量的自动赋值与目标性能的自动求解与导出，以及使用差分进化算法的优化过程。

5.根据权利要求4所述的直驱力矩电机辅助槽设计方法，其特征在于，所述差分进化算法主要流程为：

Step1：设置基本参数，初始化种群，计算个体适应度；

Step2：进行个体变异操作和种群交叉操作，得到中间代种群；

Step3：在原种群和中间代种群中评估、选择个体，生成下一代种群；

Step4：判断是否达到终止条件或进化代数达到最大，若是则终止进化，将得到最佳个体作为最优解输出；若否则返回步骤Step2继续优化。

6.根据权利要求1-5任一项所述的直驱力矩电机辅助槽设计方法，其特征在于，所述直驱力矩电机辅助槽设计方法是通过以下推导获得，具体为：

Step1：转子永磁体产生的磁动势被认为是正弦，表示为f_PM(θ，t)＝F_PMcos(ωt-Pθ)

其中，F_PM为永磁体磁动势幅值，ω为磁场电角速度，t为时间，P为极对数，θ为在定子A相轴线处设置的空间位置角；

Step2：电枢绕组产生的磁动势表示为

其中，F_M(v)为电枢磁动势v次谐波幅值，v＝(1+6k)P，k＝0,1,2…；

Step3：气隙磁导表示为

其中，Λ₀为气隙平均磁导率，A_TS为定子槽齿磁导谐波分量，Z_TS表示定子槽槽数，k_TS为定子槽谐波阶次，θ_TS为定子槽初始相角；

则气隙中的磁密可表示为B(θ,t)＝B_PM(θ,t)+B_M(θ,t)

其中：

Step4：由于辅助槽产生谐波的机理与定子槽相同，因此，当电机采用辅助槽结构时，将气隙磁导表示为

其中，A_TA为辅助槽齿磁导谐波分量，Z_TA表示辅助槽槽数，k_TA表示辅助槽谐波阶次，θ_TA为辅助槽初始相角；

此时气隙磁密为B′(θ,t)＝B′_PM9θ,t)+B′_M(θ,t)其中：