【技术实现步骤摘要】
一种磁场调制永磁电机永磁
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电枢双谐波协同优化设计方法
所属
[0001]本专利技术涉及到磁场调制永磁电机永磁
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电枢双谐波协同优化设计方法，属于电机设计领域，具体适用于电动汽车、风力发电、船舶推进等要求高转矩密度、高功率因数的电机系统。
技术介绍
[0002]近年来，随着电动汽车、风力发电、船舶推进等领域的迅速发展，目前市场对于驱动效率较高的直驱式电机需求越来越大。磁场调制永磁电机由于“磁场调制效应”拥有高转矩密度的特点。所谓的“磁场调制效应”是指磁场调制永磁电机通过其调制极的作用，调制产生多种能够产生转矩的工作磁场谐波，从而提高电机的转矩。磁场调制永磁电机以其高转矩密度的优点在直驱式电机领域拥有着巨大的发展潜力。但是，磁场调制永磁电机本身同时存在漏磁较高的问题，使得功率因数较低，制约了其实际应用。
[0003]目前提高磁场调制永磁电机功率因数的设计方法主要是从提高永磁磁场的角度提高永磁磁链，或者降低电枢磁场的角度降低电枢电流。目前的设计方法仅从永磁磁场或电枢磁场单个角度提升磁场调...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种磁场调制永磁电机永磁
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电枢双谐波协同优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：根据永磁磁场谐波特征公式和电枢磁场谐波特征公式，建立永磁磁链关于永磁磁场谐波之间的表达式，以及建立电枢磁链关于电枢磁场谐波之间的表达式；根据磁场调制永磁电机磁链向量图，建立功率因数关于永磁和电枢磁链的表达式，获得功率因数关于永磁和电枢磁场谐波的表达式，根据向量图中转矩工作区域大小随永磁和电枢磁链变化情况，同时结合以上表达式分析永磁和电枢磁场谐波所对应磁链对转矩和功率因数的影响，建立出永磁
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电枢双谐波协同优化设计思路，提升电机的转矩密度和功率因数；对于永磁磁场谐波而言，从永磁磁场谐波对于转矩是否有贡献的角度将永磁磁场谐波分为永磁磁场工作谐波和永磁磁场非工作谐波两类；对转矩有贡献的永磁磁场谐波为永磁磁场工作谐波，对转矩没有贡献的永磁磁场谐波为永磁磁场非工作谐波。对各次永磁磁场工作谐波进行加权可得到合成永磁磁场工作谐波，合成永磁磁场工作谐波所对应的永磁磁链与转矩和功率因数都成正比，因此提高合成永磁磁场工作谐波幅值可在提高功率因数的同时维持较高转矩密度；对于电枢磁场谐波而言，从电枢磁场谐波对于转矩是否有贡献的角度将电枢磁场谐波分为电枢磁场工作谐波和电枢磁场非工作谐波两类；对转矩有贡献的电枢磁场谐波为电枢磁场工作谐波，对转矩没有贡献的电枢磁场谐波为电枢磁场非工作谐波。根据磁链和功率因数表达式，电枢磁场非工作谐波所对应的磁链与功率因数成反比，同时根据磁链相量图，降低电枢磁场非工作谐波不会影响转矩所对应的工作区域大小，因此减少电枢磁场非工作谐波可以提升功率因数，同时不损失转矩密度；根据针对电机向量图和功率因数表达式的分析，确定出在保证合成永磁磁场工作谐波处于较高水平的前提下，通过对电枢磁场非工作谐波最小值和电枢磁场工作谐波最大值的优化，即可实现对永磁
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电枢磁场双谐波的协同优化设计，从而提升电机的转矩密度和功率因数；步骤2：从永磁磁场的角度对合成永磁磁场工作谐波幅值进行限制，将合成永磁磁场工作谐波幅值的最小值作为约束条件，通过敏感度分析选择出对永磁磁场工作谐波影响较大的设计参数，基于对永磁磁场工作谐波具有高敏感度的设计参数，建立合成永磁磁场工作谐波的优化模型，利用克里格模型表示合成永磁磁场工作谐波幅值与对永磁磁场工作谐波具有高敏感度的设计参数之间的关系，根据优化模型中设定的最小合成永磁磁场工作谐波幅值，基于所建立的克里格模型得出对应的对永磁磁场工作谐波具有高敏感度的设计参数的变化范围；步骤3：简化电枢磁场谐波优化目标，由于进行优化的电枢磁场谐波阶次较多，需要对电枢磁场谐波优化目标进行简化，降低优化目标个数；首先，分析电枢磁场谐波关于电机性能的敏感度，选择敏感度较大的电枢磁场谐波作为优化目标，进一步根据实验设计法计算出电枢磁场谐波的分布，通过电枢磁场谐波实验点分布图，选择出电枢磁场工作谐波变化趋势不同的电枢磁场非工作谐波为需要优化的谐波，并采用加权的方式得到简化的电枢磁场谐波优化目标；步骤4：电枢磁场非工作谐波的独立性判断。通过计算电枢磁场谐波之间的交互效应，分析判断电枢磁场谐波中是否存在具有相对独立性的非工作谐波。如果存在相对独立性的电枢磁场非工作谐波，进入步骤5.1和5.2；如果不存在相对独立性的电枢磁场非工作谐波，
进入步骤5.3步骤5.1：如果存在具有相对独立性的电枢磁场非工作谐波，将具有相对独立性的电枢磁场非工作谐波与其余电枢磁场谐波分开进行优化，以减小设计参数和优化目标维度，提高电枢磁场谐波优化结果的准确性；首先，对具有相对独立性的电枢磁场非工作谐波进行优化，利用敏感度分析选择对具有相对独立性的电枢磁场非工作谐波敏感度较大的设计参数，建立设计参数关于具有相对独立性的电枢磁场非工作谐波的克里格模型，根据所建立的克里格模型选择出具有相对独立性的电枢磁场非工作谐波的最优设计点；步骤5.2：对于电枢磁场工作谐波与其余不具备相对独立性的电枢磁场的非工作谐波进行优化,将经过合成永磁磁场工作谐波幅值限制后的设计参数范围作为约束条件，并将电枢磁场工作谐波与经过简化后的电枢磁场非工作谐波作为优化目标，采用多目标遗传算法对电机电枢磁场工作谐波和非工作谐波进行优化，最终确定出在高合成永磁工作谐波幅值基础上具有最优电枢谐波的电机设计方案，实现对永磁
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电枢磁场双谐波的协同优化设计，从而提升电机的转矩密度和功率因数；步骤5.3：对于电枢磁场的工作谐波及非工作谐波进行优化。将经过合成永磁磁场工作谐波幅值限制后的参数范围作为约束条件，将电枢磁场工作谐波与经过简化后的电枢磁场非工作谐波作为优化目标，采用多目标遗传算法对电机电枢磁场工作谐波和非工作谐波进行优化，最终确定出在高合成永磁工作谐波幅值基础上具有最优电枢谐波的电机设计方案，实现对永磁
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电枢磁场双谐波的协同优化设计，从而提升电机的转矩密度和功率因数。2.根据权利要求1所述磁场调制永磁电机永磁
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电枢双谐波协同优化设计方法，其特征在于，步骤1中永磁磁场谐波特征公式B
m
(θ,t)和电枢磁场谐波特征公式B
a
(θ,t)为：(θ,t)为：式中，C
m
是永磁磁动势傅里叶系数，D
i
和D
j
是电枢磁动势傅里叶系数，m是永磁磁动势阶次，k是磁导阶次，i和j为电枢磁动势阶次，P
r
是永磁体极对数，Ω
r
是电机机械转速，t为时间，Λ0和Λ
k
是气隙磁导傅里叶系数，N
s
是电枢槽数，根据表达式可确定出永磁磁场谐波阶次为mP
r
，mP<...
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