一种基于代理模型的感应电机外特性优化方法技术

本发明专利技术从电机内部电磁耦合机理角度出发，对异步电机的外特性进行优化，根据等效电路分析了电机外特性(基速和最大输出功率)的影响因素，选择Bs0、Hs0、Hs2、Bs1及Bs2为设计变量，同时考虑到电机外特性与设计变量之间复杂的机理关系，利用响应面法建立目标函数与设计变量之间的代理模型，实现机理关系的近似表达，最后利用ToP多目标优化算法对优化模型进行参数优化。优化。优化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于代理模型的感应电机外特性优化方法


[0001]本专利技术涉及异步电机外特性优化领域，具体涉及异步电机电磁
‑ꢀ
结构耦合的分析及优化。

技术介绍

[0002]异步交流电机因其结构简单、可靠性高、成本低、弱磁易控制、加速性能、高速性能显著等优势在纯电动汽车上得到了广泛应用。汽车工况比较复杂，要求驱动电机具有良好的外特性，在车辆爬坡或起步时能输出稳定的转矩，超车或高速工况时能输出高功率。因此，异步交流电机外特性的设计优化对提升电动汽车用异步电机综合性能具有重要意义。
[0003]电机外特性曲线代表了电机的转速与输出转矩、输出功率的关系，三者不同的对应关系代表了不同的工况。曲线包含恒转矩区和恒功率区，对于电动汽车用异步电机，要求这两个区包络更多的工况以适应不同的路况需求。因此，需要增大电机恒转矩区和恒功率区，以改善电机外特性。通常，增大驱动电机的调速范围和最大输出功率是增大恒转矩区和恒功率区的主要途径。国内外学者针对该问题已做了部分研究。例如探究了感应电机弱磁控制机理，通过电压电流极限控制策略，实现了电压的拓展和转矩的提升。此外，异步电机外特性优化还包括控制输出电压和调节气隙磁场等控制方法。目前，对感应电机外特性研究主要在控制策略方面，从分析电机内部电磁耦合机理角度出发并优化电机外特性的研究较少。

技术实现思路

[0004]本专利技术研究基于电磁
‑
结构耦合的异步电机外特性分析及优化，以优化定子槽口宽度Bs0、转子槽口高Hs0、转子槽深Hs2、转子上槽宽Bs1及下槽宽Bs2从而提高异步电机的外特性。
[0005]为实现本专利技术的目的，采用的技术方案如下：
[0006]步骤1：根据等效电路分析了电机外特性的影响因素，包括基速和最大输出功率，选择电机结构参数为设计变量，然后采用响应面法建立目标的代理模型，利用有限元分析方法获得初始样本对应的电机基速和最大输出功率的参数值；
[0007]步骤2：以基速最大和最大输出功率最大为目标，建立外特性优化模型，并采用多目标优化算法ToP进行参数优化；
[0008]优选地，步骤1中所述依据异步电机等效电路分析了电机外特性，确定设计变量，然后建立代理模型，其具体流程为：
[0009](1)电机外特性是衡量电机驱动能力的重要指标，反映了电机输出功率与输出转矩、转速之间的对应关系：
[0010][0011]根据驱动电机负载运行时的电压方程可得到定、转子侧等效电路。为了便于计算，
将转子侧电路折合到定子同侧，折算前后电机内部的电磁状态保持不变，即损耗、功率均不变。由此得到异步电机的T型等效电路如图1所示。在图1中，I
s
和I
sr
分别是流过定子绕组、转子导条的电流，R
s
是定子电阻，L
sσ
是定子漏感，R
sr
是折算到定子侧的等效转子电阻，L
rσs
是折算到定子侧的等效转子漏感，s是转差率。
[0012]三相异步电机的电磁转矩解析式表示为：
[0013][0014]式中，p
n
是极对数，U
s
是定子相电压，w是供电角频率。转差率s表示为：
[0015][0016]式中，n
s
是同步转速，p
n
是极对数，f是电源电压输入频率。则由式 (2)和式(3)可得：
[0017][0018]由上式可得，输出转矩与电机转速n、极对数P
n
、定子输入电压 U
s
、定、转子电阻和漏感相关。极对数P
n
是在异步电机基本参数设计时确定的，是常数。电机定子输入电压U
s
是通过逆变器对电池包提供的直流电压转变为交流电压后输入定子的，在电源输入条件不变时可认为是常数。定子电阻R
s
由绕组匝数、材料决定，受集肤效应影响较小，在电机运行过程中是恒定的。鼠笼型转子电阻由导条材料、形状决定，但由于集肤效应和磁路饱和程度越高，会导致转子电阻比额定值小。定、转子漏感主要与槽形和导体分布方式相关，但当考虑到磁路、集肤等电磁参数变化时，会导致定、转子漏感比额定值大。电磁参数的变化会导致电阻、漏感偏离额定值，进而引起输出转矩的改变，又由于输出转矩则会影响电机转速，磁路饱和与集肤程度随着转速增大逐渐减小。综合可知，当电机运行于恒转矩区时，电机磁路饱和、集肤效应以及电阻、漏感与转矩特性构成电磁
‑
结构耦合关系。
[0019]由式(1)
‑
式(3)可知三相异步电机的输出功率为：
[0020][0021]由上式可得，输出功率P
o
与电机转速n、极对数P
n
、定子输入电压U
s
、定转子电阻和漏感相关。同理可知，磁路饱和、集肤效应和转子电阻、漏抗相互影响，而转子电阻、漏抗主要由槽形尺寸决定，因此这些因素与转矩特性、功率特性形成电磁
‑
结构耦合关系，进而影响异步电机的外特性。因此，优化定、转子槽形尺寸可实现异步电机电磁解耦，改善电机外特性。
[0022]本专利选用的定子槽形为梨形槽，槽形参数如图2(a)所示。
[0023]定子梨形槽的优点在于具有半圆槽底，高槽满率，定子槽对电磁参数影响损耗和漏感较大。为满足槽满率要求，只探究槽口宽度Bs0对漏感及外特性特征参数的影响。利用ANSYS的RMxprt模块对电机进行仿真可知，随着槽口宽度增大，定子漏感逐渐减小，基速逐渐减小，最大输出功率增大，因此可通过优化槽口宽度以改善外特性。
[0024]选用的转子槽形为闭口槽，槽形参数如图2(b)，转子槽是能量转换的重要载体，对电磁能量传输至关重要。利用有限元分析方法探究转子槽口高Hs0、转子槽深Hs2、转子上槽宽Bs1及下槽宽Bs2对转子电阻、漏感及特征参数的关系，根据仿真可以结果可以得出，随着转子槽口高Hs0增大，转子电阻逐渐减小，漏感减小，基速增大，输出功率增大。随着转子槽深Hs2增大，转子电阻逐渐减小，漏感增大，基速增大，输出功率减小。随着转子上槽宽Bs1增大，转子电阻逐渐减小，漏感增大，基速增大，输出功率减小。随着转子下槽宽Bs2增大，转子电阻逐渐减小，漏感增大，基速增大，输出功率增大。
[0025]转子槽参数对转子漏感、电阻有较大影响，会改变转子导条集肤、磁路程度，进而对基速和最大输出功率造成影响。因此，以定子槽口宽度Bs0、转子槽口高Hs0、转子槽深Hs2、转子上槽宽Bs1及下槽宽 Bs2为优化变量。
[0026]确定优化变量后，通过拉丁超立方抽样方法与有限元仿真得到初始样本点，并基于Kriging、RBF以及RSM建立了目标函数的代理模型的过程为：
[0027](1)拉丁超立方抽样方法
[0028]实验设计方法的选择影响数学模型的拟合精度的准确性。拉丁超立方抽样方法是一种基于随机抽样的实验设计方法，具有采样次数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于代理模型的感应电机外特性优化方法，其特征包括以下步骤：步骤1：根据等效电路分析了电机外特性的影响因素，包括基速和最大输出功率，选择电机结构参数为设计变量，然后采用响应面法建立目标的代理模型，利用有限元分析方法获得初始样本对应的电机基速和最大输出功率的参数值；步骤2：以基速最大和最大输出功率最大为目标，建立外特性优化模型，并采用多目标优化算法ToP进行参数优化；2.根据权利要求1所述的一种基于代理模型的感应电机外特性优化方法，其特征在于，步骤1中根据等效电路分析异步电机外特性的影响因素，确定设计变量，然后建立代理模型，具体的过程方法为：(1)根据驱动电机负载运行时的电压方程，将转子侧电路折合到定子同侧，折算前后电机内部的电磁状态保持不变，即损耗、功率均不变，得到异步电机T型等效电路；(2)根据等效电路分析结构参数对电机外特性的影响，确定定子槽口宽度Bs0、转子槽口高Hs0、转子槽深Hs2、转子上槽宽Bs1及下槽宽Bs2为优化变量；(3)利用拉丁超立方抽样方法获取初始样本，利用有限元分析方法获得样本对应的电机基速和最大输出功率的参数值；(4)基于响应面法，建立基速和最大输出功率的代理模型，实现设计变量和目标函数之间的近似表达；步骤2中建立外特性优化模型，然后用多目标优化算法进行优化，具体过程为：(1)确定设计变量Bs0为定子槽口宽度，Hs0为转子槽口高，Hs2为转子槽深，Bs1为转子上槽宽，Bs2为下槽宽；(2)确定目标函数基速目标函数n
b
和最大输出功率目标函数P
max
；(3)设置约束条件
①
效率约束：η
max
≥η...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金文，李聪波，李伟，张承辉，黄明利，李承远，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：