團(tuán)隊(duì)介紹

李祥林，青島大學(xué)教授，博士研究生導(dǎo)師，博士，中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)人工智能與電氣應(yīng)用專委會(huì)委員。致力于高效能特種電機(jī)及磁齒輪設(shè)計(jì)分析、電機(jī)系統(tǒng)高品質(zhì)控制等領(lǐng)域的教學(xué)與科研，主持國家自然科學(xué)基金-青年基金、面上項(xiàng)目及市級(jí)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目、企業(yè)科技攻關(guān)等縱橫向項(xiàng)目多項(xiàng)，獲江蘇省專利項(xiàng)目金獎(jiǎng)1項(xiàng)，在SCI、EI上發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利11項(xiàng)。

李金陽，碩士研究生，研究方向?yàn)橥酱抛桦姍C(jī)的本體設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)控制。曾參與全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目1項(xiàng)，申請軟件著作權(quán)1項(xiàng)，實(shí)用新型專利1項(xiàng)。

導(dǎo)語

本文針對(duì)電勵(lì)磁雙定子場調(diào)制電機(jī)雙層氣隙、雙定子的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及含有豐富諧波磁場的特性，以高轉(zhuǎn)矩密度和低轉(zhuǎn)矩紋波為優(yōu)化目標(biāo)，將基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化分析以及響應(yīng)面法和單參掃描法等多種優(yōu)化方法相結(jié)合，提出了基于參數(shù)敏感度分層的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，豐富了該類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的場調(diào)制電機(jī)的高效優(yōu)化設(shè)計(jì)途徑。

研究背景

為了保持電機(jī)的高轉(zhuǎn)矩密度特性，同時(shí)考慮寬調(diào)速性能需求，本文將“雙定子電機(jī)”結(jié)構(gòu)和電勵(lì)磁方式相結(jié)合，提出一種電勵(lì)磁雙定子場調(diào)制電機(jī)。與傳統(tǒng)單定子場調(diào)制電機(jī)相比，所提電機(jī)結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜，并考慮到場調(diào)制電機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的諧波磁場分布，這對(duì)電機(jī)的高效優(yōu)化設(shè)計(jì)方法提出了新的挑戰(zhàn)。

電機(jī)的設(shè)計(jì)分析是一個(gè)復(fù)雜的多維統(tǒng)籌優(yōu)化過程，涉及電磁轉(zhuǎn)矩、定位力矩、轉(zhuǎn)矩紋波等多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)。傳統(tǒng)的電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法要么優(yōu)化目標(biāo)單一，要么過度依賴經(jīng)驗(yàn)值，要么全局尋優(yōu)能力差，要么過程繁瑣效率低。

本文將基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化分析以及響應(yīng)面法和單參掃描法等多種優(yōu)化方法相結(jié)合，提出了基于參數(shù)敏感度分層的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，豐富了該類場調(diào)制電機(jī)的高效優(yōu)化設(shè)計(jì)途徑。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文所涉及的電勵(lì)磁雙定子場調(diào)制電機(jī)所具有的雙層氣隙、雙定子特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中需要考慮的結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多。而且，為滿足電機(jī)的高性能要求，優(yōu)化目標(biāo)也由單目標(biāo)上升為多目標(biāo)。

因此，綜合考慮優(yōu)化時(shí)效和優(yōu)化精度的需求，需要根據(jù)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的影響程度，分別采取有針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析方法。圖1所示為構(gòu)建的電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程。

圖1 電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

在充分考慮電機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩特性的基礎(chǔ)上，合理確定優(yōu)化目標(biāo)、選取合適的待優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，并依據(jù)場調(diào)制電機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及理論推導(dǎo)得到的電機(jī)尺寸方程，確定電機(jī)主要尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)初值及合理變化范圍。然后建立電機(jī)的參數(shù)化模型，對(duì)電機(jī)的電磁性能進(jìn)行初步評(píng)估。

考慮到待優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多，有些結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)優(yōu)化目標(biāo)存在交叉影響，而有些結(jié)構(gòu)參數(shù)則較為獨(dú)立，若對(duì)不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)均采用單一相同的優(yōu)化方法，則會(huì)降低電機(jī)優(yōu)化的時(shí)效并導(dǎo)致很難尋得最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。

因此，本文首先利用有限元方法對(duì)電機(jī)性能進(jìn)行初步分析，并據(jù)此對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行敏感性評(píng)估，得到各結(jié)構(gòu)參數(shù)針對(duì)某一優(yōu)化目標(biāo)的敏感因子，圖2所示為各結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性分析結(jié)果柱狀圖。

圖2 結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性分析結(jié)果

在此基礎(chǔ)上，綜合分析電磁轉(zhuǎn)矩、定位力矩及轉(zhuǎn)矩紋波三個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，得到各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于多目標(biāo)的敏感度，從而將待優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)分為強(qiáng)敏感性（I型）和弱敏感性（II型）兩大類。針對(duì)強(qiáng)敏感性的結(jié)構(gòu)參數(shù)（I型參數(shù)），采用基于遺傳算法的優(yōu)化方法進(jìn)行多維參數(shù)的同時(shí)尋優(yōu)分析。

相較于JMAG軟件自帶的遺傳算法，本文提出改進(jìn)的遺傳算法，通過編程能夠方便地實(shí)現(xiàn)多維優(yōu)化目標(biāo)的自由組合及權(quán)重的靈活設(shè)定，并可合理地控制待優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的閾值范圍、交叉概率及變異概率，從而保證其在尋優(yōu)時(shí)效和精度方面更具優(yōu)勢。

此外，針對(duì)弱敏感性的結(jié)構(gòu)參數(shù)，則繼續(xù)進(jìn)行分層處理，對(duì)于在局部結(jié)構(gòu)上具有關(guān)聯(lián)性的弱敏感性結(jié)構(gòu)參數(shù)（II-1型參數(shù)）進(jìn)行分組，采用基于響應(yīng)面法的優(yōu)化方法進(jìn)行二維參數(shù)的優(yōu)化分析，而對(duì)于在局部結(jié)構(gòu)上相對(duì)孤立的弱敏感性結(jié)構(gòu)參數(shù)（II-2型參數(shù)），則采用單參掃描的方法進(jìn)行單參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析。最后，通過有限元計(jì)算判斷是否達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)，在反復(fù)優(yōu)化調(diào)整后，最終確定電機(jī)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。

結(jié)論

本文針對(duì)電勵(lì)磁雙定子場調(diào)制電機(jī)雙層氣隙、雙定子的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，提出了一種基于參數(shù)敏感度分層的多種優(yōu)化手段相結(jié)合的多目標(biāo)優(yōu)化分析方法。在建立多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)敏感度將結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分類，并針對(duì)性地采用遺傳算法、響應(yīng)面法和單參掃描法對(duì)不同敏感度的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，從而快速有效地確定了電機(jī)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。最終，本文結(jié)合樣機(jī)實(shí)驗(yàn)分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了所提優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的有效性和有限元分析的正確性。

引用本文

李祥林, 李金陽, 楊光勇, 王玉彬, 馮興田. 電勵(lì)磁雙定子場調(diào)制電機(jī)的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(5): 972-982. Li Xianglin, Li Jinyang, Yang Guangyong, Wang Yubin, Feng Xingtian. Multi-Objective Optimization Analysis of Electric-Excitation Double-Stator Field-Modulated Machine. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(5): 972-982.