一种单相感应电动机多参数多目标优化设计方法技术

一种单相感应电动机多参数多目标优化设计方法，涉及电机优化设计方法，包括步骤1：通过单相感应电动机原型机的电磁噪声测试试验，获取单相感应电动机原型机的电磁噪声数据，利用测试数据分析单相感应电动机原型机的电磁噪声幅频特性，找出幅值大于设定阈值的频率成分；步骤2：利用单相感应电动机电磁有限元模型优化几何结构参数；步骤3：利用单相感应电动机电磁解析模型优化电路参数。本发明专利技术可以在原型机的基础上通过改变电机几何结构参数和电路参数，快速实现电机输出性能提升和NVH性能改善，从而提高产品的市场竞争力。从而提高产品的市场竞争力。

【技术实现步骤摘要】
一种单相感应电动机多参数多目标优化设计方法


[0001]本专利技术涉及电机优化设计方法，更具体的说是一种针对单相感应电动机的多参数多目标优化设计方法。

技术介绍

[0002]单相感应电动机是靠单相交流电源供电的一类电机，由于它结构简单、运行可靠、制造容易、成本低廉、使用方便、有较高的效率和较好的工作特性，因此在只有单相电源的小型工业设备(纺织机械、医疗机械、食品机械等)、家用电器(洗衣机、电冰箱、电风扇、空调器等)、电动工具(如手电钻)和自动化仪表中应用广泛。
[0003]近年来，我国单相感应电动机发展很快，需求量不断上升。随着科技的发展和人们生活水平的提高，用户对电机的性能要求越来越高，而单相感应电动机设计完成后，往往达不到最佳性能状态。单相感应电动机的性能不仅包括输出性能(如输出转矩、输出功率和效率)，还包括NVH(Noise，Vibration，and Harshness，即振动、噪声和声振粗糙度)性能，后者会影响电机的使用舒适性。在某些对舒适性要求较高的场合，电机的NVH性能是必须要考虑的。对于单相感应电动机，电磁噪声是影响其NVH性能的主要因素之一。电磁噪声的源头是作用于电机外定子齿表面的电磁力，削弱对电磁噪声影响较大的电磁力成分可以从源头上削弱电磁噪声，从而改善电机NVH性能。
[0004]在电机各部件材料已定的情况下，影响电机性能的参数主要包括两大类：几何结构参数和电路参数。各个参数对电机各项性能的影响不尽相同，且电机各项性能之间存在此消彼长的复杂制约关系，很难使电机各项性能均达到最优。为提高电机性能，需以电机的各几何参数和电路参数为优化参数，以电机各项性能为优化目标，在一定约束条件下，找到各优化参数的最优取值。然而，对于单相感应电动机，现有单相感应电动机优化设计方法大多仅通过改变电机几何结构参数来优化电机性能，往往不能同时满足电机输出性能提升和NVH性能改善，即：若提升输出性能则会引起NVH性能的恶化，若改善NVH性能则会以牺牲部分输出性能为代价。事实上，在电机类型和拓扑结构已确定的情况下，仅通过改变电机几何结构参数来提升电机性能的方法本身就存在这种局限性。因此，利用现有方法很难同时考虑单相感应电动机的几何结构参数和电路参数、很难同时实现单相感应电动机输出性能提升和NVH性能改善。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是解决上述现有技术缺陷，提供一种适用于单相感应电动机的多参数多目标优化设计方法，利用该方法指导单相感应电动机的优化设计过程，可以在原型机的基础上通过改变电机几何结构参数和电路参数，快速实现电机输出性能提升和NVH性能改善，从而提高产品的市场竞争力。
[0006]本专利技术解决上述现有技术缺陷所采用的技术方案是：
[0007]一种单相感应电动机多参数多目标优化设计方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：通过单相感应电动机原型机的电磁噪声测试试验，获取单相感应电动机原型机的电磁噪声数据，利用测试数据分析单相感应电动机原型机的电磁噪声幅频特性，找出幅值大于设定(幅值)阈值的频率成分；
[0009]具体步骤如下：
[0010]1.1开展单相感应电动机原型机的电磁噪声测试试验，试验按照相关的电机噪声测试标准(如《GB/T 10069.1
‑
2006旋转电机噪声测定方法及限值第1部分：旋转电机噪声测定方法》)执行；
[0011]1.2对测试数据进行快速傅里叶变换，得到单相感应电动机原型机的电磁噪声幅频特性图；
[0012]1.3提取各特征频率及其对应的幅值，特征频率记为f
i
，对应幅值记为A
i
，其中，f
i
＝(2i
‑
1)f0，i＝1，2，3，...，10，f0＝np/60，n为转速，p为极对数；
[0013]1.4设定一个幅值阈值A0，将各个特征频率f
i
所对应的幅值A
i
逐一与阈值A0作比较，若 A
i
＞A0，则记录此A
i
对应的f
i
，若不存在任何A
i
＞A0，则适当减小A0值，重复此步骤，记录所有大于A0的A
i
所对应的f
i
；
[0014]步骤2：利用单相感应电动机电磁有限元模型优化几何结构参数；
[0015]具体步骤如下：
[0016]2.1根据原型机参数，建立单相感应电动机电磁有限元模型，并将模型几何结构参数进行参数化；
[0017]2.2确定需要优化的几何结构参数及其取值范围，可在确定优化参数前进行参数敏感性分析，将参数按照敏感度从高到低排序，选择前n(n为正整数且n≤N，N为几何结构参数总数)个参数作为优化参数，以提高优化效率；
[0018]2.3以电机输出性能(转矩、效率等)和NVH性能(步骤1.4中记录的各个频率f
i
处的电磁力幅值A
′
i
)为优化目标，采用寻优算法(和声搜索算法、遗传算法或粒子群算法)寻优，此优化问题描述为：
[0019]min(
‑
T，
‑
η，A
′
i
)
[0020][0021]其中，min(.)表示最小值函数，T为转矩，η为效率，A
′
i
为频率f
i
处的电磁力幅值(若有多个，均需纳入优化目标)，G
n
表示第n个几何结构优化参数，G
nmin
表示第n个几何结构优化参数的最小取值，G
nmax
表示第n个几何结构优化参数的最大取值；
[0022]2.4计算完成后，比较优化前后各优化目标的值，根据以下公式选择s值最大的方案为最优方案：
[0023][0024]其中，w1、w2和w3分别为转矩、效率和相应频率处电磁力幅值的权重因子(通常，取
w1＝0.3， w2＝0.3，w3＝0.4，也可根据需要设定，例如，若以削弱电磁噪声为主要优化目标，则适当增大w3，减小w1和w2，且w1+w2+w3＝1)，T0、η0和A
′0分别为优化前即原型机的转矩、效率和频率f
i
处的电磁力幅值；
[0025]2.5提取最优方案所对应的几何结构参数值。
[0026]步骤3：利用单相感应电动机电磁解析模型优化电路参数。
[0027]具体步骤如下：
[0028]3.1根据步骤2中最优方案的几何结构参数值，建立单相感应电动机电磁解析模型；
[0029]3.2根据单相感应电动机各电路参数(如绕组匝数、绕组线径和运行电容等)对电机输出性能的影响规律及约束条件的限制(如槽满率限制和绕组最大电流限制)，确定需要优化的电路参数及其取值范围；
[0030]3.3以电机转矩和效率为优化目标，采用寻优算法寻优，此优化问题描述为：
[0031]max(T<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单相感应电动机多参数多目标优化设计方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：通过单相感应电动机原型机的电磁噪声测试试验，获取单相感应电动机原型机的电磁噪声数据，利用测试数据分析单相感应电动机原型机的电磁噪声幅频特性，找出幅值大于设定阈值的频率成分；具体步骤如下：1.1开展单相感应电动机原型机的电磁噪声测试试验，试验按照相关的电机噪声测试标准执行；1.2对测试数据进行快速傅里叶变换，得到单相感应电动机原型机的电磁噪声幅频特性图；1.3提取各特征频率及其对应的幅值，特征频率记为f
i
，对应幅值记为A
i
，其中，f
i
＝(2i
‑
1)f0,i＝1,2,3,
…
,10，f0＝np/60，n为转速，p为极对数；1.4设定一个幅值阈值A0，将各个特征频率f
i
所对应的幅值A
i
逐一与阈值A0作比较，若A
i
＞A0，则记录此A
i
对应的f
i
，若不存在任何A
i
＞A0，则适当减小A0值，重复此步骤，记录所有大于A0的A
i
所对应的f
i
；步骤2：利用单相感应电动机电磁有限元模型优化几何结构参数；具体步骤如下：2.1根据原型机参数，建立单相感应电动机电磁有限元模型，并将模型几何结构参数进行参数化；2.2确定需要优化的几何结构参数及其取值范围；2.3以电机输出性能和NVH性能为优化目标，采用寻优算法寻优，此优化问题描述为：min(
‑
T,
‑
η,A
′
i
)其中，min(.)表示最小值函数，T为转矩，η为效率，A
′
i
为频率f
i
处的电磁力幅值，G
n
表示第n个几何结构优化参数，G
nmin
表示第n个几何结构优化参数的最小取值，G
nmax
表示第n个几何结构优化参数的最大取值；2.4计算完成后，比较优化前后各优化目标的值，根据以下公式选择s值最大的方案为最优方案：其中，w1、w2和w3分别为转矩、效率和相应频率处电磁力幅值的权重因子，T0、η0和A
′0分别为优化前即原型机的转矩、效率和频率f
i
处的电磁力幅值；2.5提取最优方案所对应的几何结构参数值；步骤3：利用单相感应电动机电磁解析模型优化电路参数；具体步骤如下：
3.1根据步骤2中所选择的最优方案的几何结构参数值，建立单相感应电动机电磁解析模型；3.2根据单相感应电动机各电路参数对电机输出性能的影响规律及约束条件的限制，确定需要优化的电路参数及其取值范围；3.3以电机转矩和效率为优化目标，采用寻优算法寻优，此优化问题描述为：max(T
′<...

【专利技术属性】
技术研发人员：马琮淦，安原圣，王辉，王新玲，陈志全，孙启立，王彦岩，王大方，左曙光，吴旭东，
申请(专利权)人：威海全新电机有限公司，
类型：发明
国别省市：