- 頭條非對稱V型內置式永磁同步電機的多目標優化設計2020-01-21 作者：劉國海、王艷陽等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語江蘇大學電氣信息工程學院、江蘇省電動車輛驅動與智能控制重點實驗室的研究人員劉國海、王艷陽等，在《電工技術學報》2018年增刊2上撰文，為降低電機轉矩脈動，首先提出一種五相40槽8極的非對稱V型內置式永磁同步電機。 在此基礎上，為準確獲取電機的最優參數值，提升電機轉矩性能，以降低轉矩脈動和提高輸出轉矩為優化目標，提出一種基于參數分層設計與響應曲面法相結合的多目標優化方法。通過分析優化前后非對稱電機的電磁性能可知，采用改進后的非對稱轉子結構能有效降低電機轉矩脈動。 與非對稱、偏移極轉子結構樣機相比，所提出的基于多目標優化方法設計的非對稱V型內置式永磁同步電機能夠在降低轉矩脈動的同時提高轉矩密度。
江蘇大學電氣信息工程學院、江蘇省電動車輛驅動與智能控制重點實驗室的研究人員劉國海、王艷陽等，在《電工技術學報》2018年增刊2上撰文，為降低電機轉矩脈動，首先提出一種五相40槽8極的非對稱V型內置式永磁同步電機。
在此基礎上，為準確獲取電機的最優參數值，提升電機轉矩性能，以降低轉矩脈動和提高輸出轉矩為優化目標，提出一種基于參數分層設計與響應曲面法相結合的多目標優化方法。通過分析優化前后非對稱電機的電磁性能可知，采用改進后的非對稱轉子結構能有效降低電機轉矩脈動。
與非對稱、偏移極轉子結構樣機相比，所提出的基于多目標優化方法設計的非對稱V型內置式永磁同步電機能夠在降低轉矩脈動的同時提高轉矩密度。
隨著永磁材料的發展與性能的不斷提升，永磁電機得到了廣泛的應用。永磁電機具有結構簡單、高輸出轉矩、高功率密度、高效率等優點。內置式永磁同步電機（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM）的轉子結構具有凸極性，因而具備寬調速范圍，目前已被成功應用于新能源電動汽車、航空航天等領域中。但內置式的轉子結構也會產生齒槽轉矩，導致轉矩脈動上升，產生機械振動與噪聲，影響其運行性能。
近年來，如何降低內置式永磁同步電機轉矩脈動的問題受到了國內外學者的關注。降低轉矩脈動的方法一般可分為改進電機控制算法和優化電機結構參數兩種。從控制算法的角度，文獻[4]在勵磁繞組上增加q軸諧波電流，產生一個額外轉矩來抑制齒槽轉矩，進而降低轉矩脈動，但系統的復雜程度會隨之增加。
從電機結構改進的角度，文獻[5]采用分數槽繞組，可有效減少高次諧波，降低齒槽轉矩，從而抑制電機轉矩脈動的產生，但該方法只能削弱齒槽轉矩中的部分諧波。英國Z. Q. Zhu教授提出定子斜槽，可大幅降低齒槽轉矩與空載反電動勢的諧波畸變率，不足之處在于犧牲了電機的輸出轉矩。
此外，還可采用轉子斜極，在定子齒上增加輔助槽，選擇合適的槽極配比等方法降低轉矩脈動。文獻[10]通過采用偏移非對稱轉子極的方法，可同時有效抑制永磁轉矩、磁阻轉矩和齒槽轉矩的脈動，但制造工藝復雜，且電機的輸出轉矩有所降低。
除了電機結構的改進，還可通過優化算法來確定電機的設計參數值，從而提升電機的電磁性能。傳統的優化方法多借助有限元仿真軟件進行單目標優化，計算量大，參數間的相互影響易被忽略，難以獲取最佳參數值。
為實現電機的高性能優化設計，文獻[11]提出了Taguchi優化方法，該方法可大幅減少仿真計算量，但其最優值的選取具有一定局限性。目前，常用智能優化算法[12,13]來實現電機的多目標優化設計，如遺傳算法、模擬退火算法、NSGA-II，雖具有良好的全局搜索能力，但不能完全實現自適應的遺傳優化。
本文提出一種非對稱V型內置式永磁同步電機，以降低電機轉矩脈動和提高電機輸出轉矩為優化目標，提出一種參數分層設計與響應曲面法相結合的多目標優化方法，可準確獲取電機的最優參數值，實現電機的高性能優化設計。與非對稱、偏移極轉子結構樣機相比，所提出的基于多目標優化方法設計的非對稱V型內置式永磁同步電機不僅降低了轉矩脈動，還可有效提升轉矩密度。
非對稱V型內置式永磁同步電機的多目標優化設計
圖1 非對稱V型內置式永磁同步電機模型結構
非對稱V型內置式永磁同步電機的多目標優化設計
圖2 非對稱V型內置式永磁同步電機細節參數優化模型
非對稱V型內置式永磁同步電機的多目標優化設計
圖8 樣機的定、轉子結構及實驗平臺
結論
本文提出了一種非對稱V型內置式永磁同步電機，以降低轉矩脈動和提升輸出轉矩為優化目標，采用參數分層設計與響應曲面法相結合的方法，可快速、高效、準確地獲取電機參數值。
仿真對比分析優化前后電機的電磁性能，驗證優化后的非對稱轉子結構可有效降低轉矩脈動。傳統非對稱、偏移極轉子結構樣機雖然可大幅降低轉矩脈動，但在磁極偏移過程中，其轉矩損失較大，且制造工藝復雜。
結合樣機實驗，所提出的基于多目標優化方法設計的非對稱電機不僅結構簡單，而且電機性能大幅提升。
