一种适用于多参数耦合永磁游标轮缘推进电机的多目标优化方法技术

本发明专利技术公开的一种适用于多参数耦合永磁游标轮缘推进电机的多目标优化方法，包括步骤如下：S1：建立电机空载模型；S2：以永磁游标轮缘推进电机带载时的平均转矩和转矩脉动为优化目标；S3：在完成空载工况设计的基础上，确定影响平均转矩和转矩脉动相关结构参数的取值范围；S4：将结构参数取值范围回带到电机空载模型中，检验是否符合电机空载工况下的设计要求；S5：采用拉丁超立方试验构建样本库，参考样本库数据的分布情况，在样本稀疏的取样范围内采用优化拉丁超立方法补充一定的样本数据；S6：根据参数敏感型分析方式对电机结构参数进行敏感度排序和分层处理；S7：寻找全局最优解，采用敏感度弱的结构参数进行调整完成优化。采用敏感度弱的结构参数进行调整完成优化。采用敏感度弱的结构参数进行调整完成优化。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于多参数耦合永磁游标轮缘推进电机的多目标优化方法


[0001]本专利技术涉及电机优化设计领域，尤其涉及存在多参数耦合永磁游标轮缘推进电机的多目标优化。

技术介绍

[0002]各国之间的海上贸易交流日益频繁，对船舶的运输能力与推进能力提出了更高的要求。传统的船舶推进装置采用推进轴系+螺旋桨的组合，占用了大量的空间，降低了推进效率与可靠性。近年来，出现了一种高度集成的电力推进装置—无轴轮缘推进器。它取消了推进轴系，将电机转子与螺旋桨的桨叶直接集成为一体，采用电流直接驱动，电机转子与桨叶焊接，使得推进电机可以直接驱动桨叶做功，提高了推进器的水动力性能。相比于传统推进轴系，无轴轮缘推进器具有占用空间小，噪声少，振动低，效率高等特点。
[0003]永磁游标电机具有低速大转矩输出，槽数较少，低速时定子铁心利用率高，转矩脉动小的优点，可以将永磁游标电机与轮缘推进器相结合，构成永磁游标轮缘推进电机，实现低速大转矩输出和直驱的功能，进一步提高船舶推进系统的性能。
[0004]但是永磁游标电机属于磁场调制型电机，由于存在调制行为，气隙磁场复杂，不仅含有幅值较大的基波分量还调制出各种高次谐波，而且永磁游标电机的参数较多，耦合程度较严重。传统的单变量优化法计算量小，求解速度块，但针对单个参数得到的寻优结果并不能反映整体最优。常规多目标优化的方法多采用“响应面+多目标寻优算法”计算精度较高，但运算量大，求解时间较长，而且一旦优化参数多于三个，计算难度呈指数级增长。现阶段，多目标优化方法仍存在优化过程耗时长，优化效率低和优化效果不理想等问题。因此如何快速且准确的寻找出电机最优结构参数也是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]根据现有技术存在的问题，本专利技术公开了一种适用于多参数耦合永磁游标轮缘推进电机的多目标优化方法，通过对永磁游标轮缘推进电机进行多目标优化，实现了最大化平均转矩和最小化转矩脉动的优化目的。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]S1.在Maxwelll软件上搭建二维有限元模型，设置电机定、转子、永磁体材料特性，选择分数式集中绕组隔齿缠绕的绕组布置，并施加零电流激励进行空载实验。设计前期主要参考电机空载反电动势和波形畸变率，选择合适的槽极配合和定、转子尺寸；
[0008]S2.确定前期设计后，根据设计电机目标额定功率，施加合适的电流激励进行带载实验，主要以永磁游标轮缘推进电机的平均转矩和转矩脉动为优化目标，结合参数化建模的方法分析筛选出能显著影响平均转矩和转矩脉动的结构参数；
[0009]S3.在初步完成电机设计仿真的基础上，确定影响平均转矩和转矩脉动相关结构参数的取值范围，减小后续优化工作量。取值范围选取标准为：以在步骤S2中所能达到的最
大平均转矩和最小转矩脉动作为标准，保持其他结构参数不变的前提下，改变某个结构参数，其响应高于最大平均转矩0.9或转矩脉动不超过最小转矩脉动的1.1；
[0010]S4.考虑到设计前后的逻辑性，需要把S3步骤中确定的结构参数回带到电；机空载模型中。假如在S3确定的取值范围内，存在使得空载反电动势明显下降或者波形畸变率显著增大的应剔除该段取值空间，进一步缩小后续优化范围；
[0011]S5.通过拉丁超立方试验设计构建样本库，同时参考样本库数据的分布，在样本稀疏的范围内采用优化拉丁超立方法补充一定的样本数，保证样本点尽可能均匀分布在取值空间内，方便构造出更为光滑的响应面；
[0012]S6：对电机结构参数两两排列组合，将高维多目标优化问题降阶为多个二维多目标优化问题，并分别建立Kriging响应面模型。根据参数敏感型分析，对电机结构参数进行敏感度排序和分层处理；
[0013]S7：基于多目标鲸鱼优化算法，对敏感度强的结构参数进行多目标优化，寻找全局最优解，然后再用敏感度弱的结构参数进行调整，完成优化。
[0014]进一步地，所述步骤S1影响电机空载反电动势和波形畸变率主要是槽极方案的选择。永磁游标轮缘推进电机基于磁场调制原理运行，定子调制极数Zs，永磁体极对数Pr，电枢绕组极对数Pw满足以下关系：
[0015]Z
s
＝P
r
+P
w
[0016]所述步骤S2中影响电机平均转矩和转矩脉动的结构参数包块：永磁体厚度h
g
、极弧系数α、调制齿宽度f
h
、调制齿高度h、隔离齿宽度f
s
、模块化气隙厚度h
g
。
[0017]所述步骤S3中分别对永磁体厚度h
g
、极弧系数α、调制齿宽度f
h
、调制齿高度h、隔离齿宽度f
s
、模块化气隙厚度h
g
进行单参数仿真，根据电机平均转矩和转矩脉动表现，结合设计目标给出各结构参数范围。
[0018]所述步骤S4参数反带回空载模型，可以根据空载反电动势和波形畸变率排除部分不合适的参数，进一步缩小优化选取范围。
[0019]所述步骤S5中通过拉丁超立方实验在各结构参数优化范围内设置样本点，其原理是一种分层抽样，即从多元参数分布中近似完成抽样，其原理数学公式表述为：
[0020][0021]该公式描述的是从q个设计变量中抽取n个样本点，式中a
ik
是矩阵A＝(a
ik
)的一个元素，A矩阵是n*q矩阵，a
ik
表示第i个样本点的第k个变量的值，矩阵A中每一列代表着1到n的一个随机排列，共有n！种排列方式。U也是一个n*q的矩阵，u
ik
服从0
‑
1的均匀分布。
[0022]但普通的拉丁超立方抽样会存在局部分布不均匀的现象，为尽可能使得样本点离散的充满整个空间，需要在样本点稀疏的空间增加一定的样本点。基于最大最小法优化后的拉丁超立方抽样，能够保证补充的样本点可以离散的填补稀疏的取值空间，其原理公式如下：
[0023][0024]D
i
＝min(d
i1
,d
i2
...d
in
)
[0025]式中d
ij
表示样本点i和样本点j之间的距离，D
i
记做样本点i的特征值，表示与其他样本点的最小距离。通过反复迭代检验，只需保证每个样本点的特征值尽可能的大，就可以
保证补充的样本点能填补稀疏的取值空间。
[0026]所述步骤S6中，克里金模型是利用协方差函数进行随机过程的预测，可以实现无偏估计，克里金模型通过已知的样本点去估计预测点，样本点与预测点之间的关系为：
[0027][0028]其中为Z
*
(x)预测点，Z(x
i
)为已知样本点，N为样本点个数，λ
i
为关联系数。未知预测点的值以及关联系数可以表示为：
[0029][0030]其中θ<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于多参数耦合永磁游标轮缘推进电机的多目标优化方法，其特征在于：包括步骤如下：S1：基于电机空载反电动势和波形畸变率对永磁游标轮缘推进电机进行空载工况下的优化设计，建立电机空载模型；S2：以永磁游标轮缘推进电机带载时的平均转矩和转矩脉动为优化目标，结合参数化建模方法分析筛选出能显著影响平均转矩和转矩脉动的电机结构参数；S3：在完成空载工况设计的基础上，确定影响平均转矩和转矩脉动相关结构参数的取值范围；S4：将结构参数取值范围回带到电机空载模型中，检验是否符合电机空载工况下的设计要求；S5：采用拉丁超立方试验构建样本库，参考样本库数据的分布情况，在样本稀疏的取样范围内采用优化拉丁超立方法补充一定的样本数据；S6：对电机结构参数两两排列组合，将高维多目标优化问题降阶为多个二维多目标优化问题，并分别建立克里金模型，根据参数敏感型分析方式对电机结构参数进行敏感度排序和分层处理；S7：基于多目标鲸鱼优化算法对敏感度强的结构参数进行多目标优化，寻找全局最优解，采用敏感度弱的结构参数进行调整完成优化。2.根据权利要求1所述的一种适用于多参数耦合永磁游标轮缘推进电机的多目标优化方法，其特征在于：永磁游标轮缘推进电机基于磁场调制原理运行，其中定子调制极数Zs、永磁体极对数Pr、电枢绕组极对数Pw满足以下关系：Z
s
＝P
r
+P
w
。3.根据权利要求1所述的一种适用于多参数耦合永磁游标轮缘推进电机的多目标优化方法，其特征在于：影响电机平均转矩和转矩脉动的结构参数包括：永磁体厚度h
g
、极弧系数α、调制齿宽度f
h
、调制齿高度h、隔离齿宽度f
s
和模块化气隙厚度h
g
。4.根据权利要求3所述的一种适用于多参数耦合永磁游标轮缘推进电机的多目标优化方法，其特征在于：分别对永磁体厚度h
g
、极弧系数α、调制齿宽度f
h
、调制齿高度h、隔离齿宽度f
s
、模块化气隙厚度h
g
进行单参数仿真，根据电机平均转矩和转矩脉动表现结合设计目标输出各结构参数范围。5.根据权利要求1所述的一种适用于多参数耦合永磁游标轮缘推进电机的多目标优化方法，其特征在于：将结构参数取值范围回带到电机空载模型中时，根据空载反电动势和波形畸变率排除部分不合适的参数从而缩小优化选取范围。6.根据权利要求1所述的一种适用于多参数耦合永磁游标轮缘推进电机的多目标优化方法，其特征在于：通过拉丁超立方实验在各结构参数优化范围内设置样本点，从多元参数分布中近似完成抽样，具体公式表述为：该公式是从q个设计变量中抽取n个样本点，式中a
ik
是矩阵A＝(a
ik
)的一个元素，A矩阵是n*q矩阵，a
ik
表示第i个样本点的第k个变量的值，矩阵A中每一列代表1到n的随机排列，共有n！种排列方式，U是n*q的矩阵，u
ik
服从0
‑
1的均匀分布；
在样本点稀疏的空间增加一定的样本点，基于最大最小法优化后的拉丁超立方抽样，保证补充的样本点离散的填补稀疏的取值空间，其原理公式如下：且i≠jD
i
＝min(d
i1
,d
i2
...d
in
)式中d
ij
表示样本点i和样本点j之间的距离，D
i
记做样本点i的特征值，表示与其他样本点的最小距离，通过反复迭代检验从而保证补充的样本点能填补稀疏的取值空间。7.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱景伟，何汪松，王哲，岳九波，赵天瑞，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：