基于遗传算法的永磁同步电机减振优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于遗传算法的永磁同步电机减振优化设计方法,首先，通过麦克斯韦张量法，推导了电机径向气隙磁密和径向电磁力密度的表达式；其次，基于Maxwell建立电机的二维有限元模型，通过仿真得到电机优化后的径向气隙磁密和径向电磁力；其次，通过遗传算法对电机结构参数进行优化；随后，建立优化前后电机定子铁芯结构三维模型，计算电机定子铁芯的模态固有频率；最后，基于Workbench平台对优化前后电机定子的振动性能进行联合仿真计算，得到电机定子的振动响应频谱图，通过对比优化前后的仿真结果可知电机定子振动位移和振动加速度均有明显下降趋势，验证了此优化方法对于减小电机电磁振动的有效性。减小电机电磁振动的有效性。减小电机电磁振动的有效性。

【技术实现步骤摘要】
基于遗传算法的永磁同步电机减振优化设计方法


[0001]本专利技术涉及电机设计
，具体涉及一种基于遗传算法的永磁同步电机减振优化设计方法。

技术介绍

[0002]永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)与其他电机相比具有高功率密度、高输出转矩的特点，是目前新能源汽车驱动电机的主要研究方向。随着人们对驾驶体验的追求越来越高，噪声(Noise)、振动(Vibration)、舒适感(Harshness)即NVH性能指标在新能源汽车行业竞争中也发挥越来越重要的作用。因此在设计新能源汽车永磁同步电机时，除了需要满足电机各项电磁性能指标，振动性能也是一项十分重要的性能指标。
[0003]电机在工作过程产生的振动主要有三种：电磁振动、机械振动和空气动力振动。其中，电磁振动是引起电机振动最主要的因素。而产生电磁振动的主要原因是电机在共振频率点处电磁力谐波和电机机械结构相互作用。在电机中，主磁通大致沿径向进入气隙，在定子和转子上产生径向电磁力波，从而引起电磁振动。其中由于转子的刚度比定子大很多，所以电机电磁振动主要集中体现在径向电磁力波对于电机定子的作用。
[0004]基于以上分析，本专利技术以三相8极48槽结构永磁同步电机为研究对象，利用解析法建立永磁同步电机径向气隙磁密和径向电磁力波解析式，分析各径向气隙磁密和径向电磁力波的频率阶次、空间阶次和幅值。同时利用有限元法建立永磁同步电机模型并计算电磁特性和振动特性。基于遗传算法对其电机结构提出一种结构优化方法，通过对优化前后两种结构的电机进行电磁、模态和振动特性对比分析，验证此种方法具有减小永磁同步电机振动的作用，对新能源汽车永磁同步电机NVH问题的研究具有一定意义。

技术实现思路

[0005]针对传统的永磁同步电机设计方法存在的电机振动比较大以及未能兼顾电机多方面表现性能。本专利技术提出了一种基于遗传算法的永磁同步电机减振优化设计方法。首先，通过麦克斯韦张量法，推导了电机径向气隙磁密和径向电磁力密度的表达式；其次，基于Maxwell建立电机的二维有限元模型，通过仿真得到电机优化后的径向气隙磁密和径向电磁力；其次，通过遗传算法对电机结构参数进行优化；随后，建立优化前后电机定子铁芯结构三维模型，计算电机定子铁芯的模态固有频率；最后，基于Workbench平台对优化前后电机定子的振动性能进行联合仿真计算，得到电机定子的振动响应频谱图，通过对比优化前后的仿真结果可知电机定子振动位移和振动加速度均有明显下降趋势，验证了此优化方法对于减小电机电磁振动的有效性。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种基于遗传算法的永磁同步电机减振优化设计方法，包括以下步骤：
[0008]1)第一步基于麦克斯韦张量法，建立了电机径向气隙磁密和径向电磁力密度的表达式具体为：
[0009]永磁同步电机在正弦波供电作用下，径向气隙磁密的表达式为：
[0010]B
r
(θ,t)＝f(θ,t)
×
λ(θ,t)(1)
[0011]电机负载工作的时候，负载气隙磁动势为：
[0012][0013]其中F
μ
是μ次谐波磁动势的幅值；μ是永磁磁场的谐波次数，其值为(2r+1)p，(r＝0，1，2，3
…
)；F
v
是v次电枢反应谐波磁动势幅值；v是电枢反应磁场谐波次数，其值为(6k
±
1)p，(k＝0，1，2，3
…
)；θ是转子位置机械角；ω是电流基波角频率；t是时间；p是电机极对数；是电枢绕组产生的v阶磁动势初相角。
[0014]对于内置式永磁同步电机，相对气隙磁导可表示为：
[0015]λ(θ,t)＝Λ0+∑
l
Λ
l
cos(lZθ)(3)
[0016]其中Λ0是平均气隙磁导；l是磁导谐波次数；Λ
l
是l阶谐波磁导；Z是定子槽数。
[0017]将式(2)、式(3)代入式(1)中，得到气隙磁密表达式如式(4)所示。
[0018][0019]其中，B
μ
是μ次平均永磁谐波磁密幅值；B
μl
是μ次l阶永磁谐波磁密幅值；B
v
是v次平均电枢反应谐波磁密幅值；B
vl
是v次l阶电枢反应谐波磁密幅值。
[0020]根据麦克斯韦张量定律，作用在电机定子间的径向电磁力密度表达式为:
[0021][0022]其中：
[0023]B
R
＝∑
μ
B
μ
cosμ(pθ
‑
ωt)+∑
l
∑
μ
B
μl
cos[(μp
±
lZ)θ
‑
μωt](6)
[0024][0025]式中：f
r
是径向电磁力密度；μ0是真空磁导率，其值为4
×
107H/m；是电机气隙磁密的径向分量；B
t
是电机气隙磁密的切向分量；B
R
是转子永磁磁动势在气隙处产生的磁密；B
S
是定子电枢磁动势在气隙处产生的磁密。
[0026]2)第二步基于Maxwell建立永磁同步电机二维有限元模型。
[0027]基于Maxwell对本文研究的新能源汽车永磁同步电机建立二维有限元模型。电机径向电磁力大小主要由永磁体磁场和电枢反应磁场产生的气隙磁密大小决定。而通过优化电机结构变量，改变磁路走向可以影响气隙磁密大小，进而削弱电机径向电磁力密度的幅值，使其达到电机减小振动的目的。因此，本文基于遗传算法通过对电机结构变量的优化提出一种永磁同步电机减振优化设计方法。
[0028]3)第三步基于遗传算法对电机的结构变量进行优化。
[0029]用改进拉丁超立方取样法对电机结构变量进行灵敏度分析，分析对平均转矩、转矩脉动、齿槽转矩影响最大的结构变量。以这几个变量作为遗传算法优化变量，以齿槽转矩最小值、转矩波动最小值、平均转矩最大值为目标函数进行多目标优化，最后求得一组最佳变量。
[0030]4)第四步对电机定子进行模态分析，进一步分析电机的各项电磁性能以及固有频率等；
[0031]对电机建立有限元仿真模型，并进行电磁有限元分析。取接近定子齿面处的圆作为测量路径，求解电机负载工况下电机径向气隙磁密密度和径向电磁力密度。
[0032]取接近定子齿面处的圆作为测量路径，得到某时刻额定工况下径向电磁力密度大小随空间变化的FFT分解结果；再取接近定子取靠近定子齿面上一点，对该点额定工况下径向电磁力密度时域曲线进行FFT分解。
[0033]基于Maxwell仿真得到电机输出转矩波形图，如果优化前后的电机输出的平均转矩没有发生明显下降，证明电机电磁性能没有减弱，仍然符合工作要求。并且由于优化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于遗传算法的永磁同步电机减振优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：1)基于麦克斯韦张量法，建立了电机径向气隙磁密和径向电磁力密度的表达式具体为：永磁同步电机在正弦波供电作用下，径向气隙磁密的表达式为：B
r
(θ,t)＝f(θ,t)
×
λ(θ,t)(1)电机负载工作的时候，负载气隙磁动势为：其中F
μ
是μ次谐波磁动势的幅值；μ是永磁磁场的谐波次数，其值为(2r+1)p，(r＝0，1，2，3
…
)；F
v
是v次电枢反应谐波磁动势幅值；v是电枢反应磁场谐波次数，其值为(6k
±
1)p，(k＝0，1，2，3
…
)；θ是转子位置机械角；ω是电流基波角频率；t是时间；p是电机极对数；是电枢绕组产生的v阶磁动势初相角；对于内置式永磁同步电机，相对气隙磁导可表示为：λ(θ,t)＝Λ0+∑
l
Λ
l
cos(lZθ)(3)其中Λ0是平均气隙磁导；l是磁导谐波次数；Λ
l
是l阶谐波磁导；Z是定子槽数；将式(2)、式(3)代入式(1)中，得到气隙磁密表达式如式(4)所示；其中，B
μ
是μ次平均永磁谐波磁密幅值；B
μl
是μ次l阶永磁谐波磁密幅值；B
v
是v次平均电枢反应谐波磁密幅值；B
vl
是v次l阶电枢反应谐波磁密幅值；根据麦克斯韦张量定律，作用在电机定子间的径向电磁力密度表达式为:其中：B
R
＝∑
μ
B
μ
cosμ(pθ
‑
ωt)+∑
l
∑
μ
B
μl
cos[(μp
±
lZ)θ
‑
μωt](6)式中：f
r
是径向电磁力密度；μ0是真空磁导率，其值为4
×
107H/m；是电机气隙磁密的径向分量；B
t
是电机气隙磁密的切向分量；B
R
是转子永磁磁动势在气隙处产生的磁密；B
S
是定子电枢磁动势在气隙处产生的磁密；2)基于Maxwell建立永磁同步电机二维有限元模型：基于Maxwell对新能源汽车永磁同步电机建立二维有限元模型；电机径向电磁力大小...

【专利技术属性】
技术研发人员：应超，潘柏松，顾大卫，
申请(专利权)人：浙江工业大学台州研究院，
类型：发明
国别省市：