【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于永磁电机，具体涉及一种径向磁传动伺服电机转矩惯量比优化方法。
技术介绍
1、高转矩密度磁传动伺服电机的转动惯量惯量、过载能力直接决定电机的加速性能，进而影响飞行器机动性。为提升高转矩密度磁传动伺服电机的动态响应能力，需同时对转子转动惯量、峰值转矩、转矩密度进行优化设计，这是一个复杂的多维度统筹优化过程。此外，相比传统永磁伺服电机的电枢定子、永磁转子双单元结构，高转矩密度磁传动伺服电机引入调制环单元，为三单元结构，结构尺寸参数较多，这对电机的高效优化设计提出挑战。如何在保证高转矩密度的同时，尽可能的提升转矩惯量比是该类电机优化设计是否成功的关键。
2、目前，电机的计算分析方法主要有限元仿真方法和解析模型方法。有限元仿真考虑了电机铁心饱和、漏磁等情况，能够准确地计算出电机特性。然而仿真结果的精度取决于剖分质量，高质量的剖分使得仿真耗时长且对仿真计算机的性能要求高，这大大降低了电机优化的灵活度。相比于有限元法，解析法可大大缩减了计算时间，但是计算精度受限解析模型精度。此外，电机优化算法主要有基于单参扫描法、遗传算法和模拟退火算法等，存在优化目标单一、优化过程耗时长、过度依赖经验值、参数交叉影响大、全局寻优能力差、优化结果稳健性低等问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种径向磁传动伺服电机转矩惯量比优化方法。本专利技术方案能够解决上述现有技术中存在的问题。
2、本专利技术的技术解决方案：
3、根据第一方面
4、步骤一，依据设计中电机的体积重量约束与频带指标，预估电机初始结构参数；
5、步骤二，建立考虑定子齿槽效应、永磁定子与定子铁心无间隙相互影响、导磁块调制作用的电机精确解析模型，计算磁传动伺服电机电磁转矩te、转矩密度te/vm比表达式；
6、依据驱动控制模块限定的电机最大相电流有效值为irms_max，确定磁传动电机的最大电磁转矩te_max；
7、步骤三，根据伺服系统的实际幅频特性需求，确定快变动载荷条件下电机需提供转矩tm、转矩惯量jm表达式；
8、步骤四，根据获得的最大电磁转矩te_max和需提供转矩tm进行比较，若tm>te_max，则返回步骤一；若tm≤te_max，则确定峰值转矩tm_max＝te_max，计算转矩惯量比tm_max/jm表达式；
9、步骤五，以转矩密度、转矩惯量比性能指标为优化目标，进行结构参数高、低灵敏度分层设计，建立并修正一阶-三阶混合响应面模型；
10、步骤六，根据获得的一阶-三阶混合响应面模型，进行基于遗传算法的分层优化设计，基于帕累托最优解确定满足复合约束的最佳组合；
11、步骤七，对获得的最佳组合进行稳健性评估，若稳健性满足要求，则完成设计，若稳健性不满足要求，则返回步骤六，建立基于蒙特卡洛模拟技术的稳健性优化模型与方程，直至满足稳健性设计要求。
12、进一步的，所述的步骤二中，计算磁传动伺服电机电磁转矩te、转矩密度te/vm比表达式的方法为：
13、s21：假定电机磁路不饱和，建立磁传动电机非导磁区域i、气隙区域ii、永磁体区域i、定子槽口区域u和绕组区域j的矢量磁位方程：
14、非导磁区域i：
15、气隙区域ii：
16、永磁体区域i：
17、定子槽口区域u：
18、绕组区域j：
19、其中，ai、aii、ai、au、aj分别为非导磁区域、气隙区域、永磁体区域、定子槽口区域、绕组区域的矢量磁位，r、θ分别为电机在极坐标系下的极径与极角，r1、r2、r3、r4、r5、r6分别为非导磁区域内半径、气隙内半径、气隙外半径、永磁体外半径、槽口外半径、定子槽外半径，θi、θj、θu分别为第i块非导磁块、第j个定子槽、槽口的位置角，β、α、γ分别为一块非导磁块、定子槽、槽口所占的弧度；m(θ)为永磁体磁化强度，br为剩磁密度，μ0为真空磁导率，pp为永磁体极对数，θp0为永磁体初始相位角；jj为第j个定子槽内电流密度，irms为定子相电流有效值，nt为毎槽导体数，θsp0为第一个槽内绕组的初始电流相位角；bs为定子槽平均宽度。
20、s22：确定各交界面的边界条件：
21、交界面r＝r1处的边界条件：
22、交界面r＝r2处的边界条件：
23、交界面r＝r3处的边界条件：
24、交界面r＝r4处的边界条件：
25、交界面r＝r5处的边界条件：
26、交界面r＝r6处的边界条件：
27、交界面θ＝θi与θ＝θi+β处的边界条件：
28、交界面θ＝θu与θ＝θu+γ处的边界条件：
29、交界面θ＝θj与θ＝θj+α处的边界条件：
30、其中，交界面r＝r1是调制环非导磁块与转子铁心的径向交界面，交界面r＝r2是调制环与气隙的径向交界面，交界面r＝r3是气隙与永磁体的径向交界面，交界面r＝r4是永磁体与定子铁心的径向交界面，交界面r＝r5是定子槽口与绕组的径向交界面，交界面r＝r6是定子槽底与定子铁心的径向交界面，交界面θ＝θi与θ＝θi+β是调制环非导磁区域与导磁区域的圆周向交界面，交界面θ＝θu与θ＝θu+γ是定子槽口与定子铁心的圆周向交界面，交界面θ＝θj与θ＝θj+α是定子槽与定子铁心的圆周交界面。
31、s23：确定磁传动电机非导磁区域i、气隙区域ii、永磁体区域i、定子槽口区域u和绕组区域j的矢量磁位通解表达式：
32、非导磁区域i矢量磁位表达式：
33、
34、气隙区域ii矢量磁位表达式：
35、
36、永磁体区域i矢量磁位表达式：
37、
38、定子槽口区域u矢量磁位表达式：
39、
40、绕组区域j矢量磁位表达式：
41、
42、其中，a0i、aki为矢量磁位ai的0阶和k阶无旋因子，akii、bkii、ckii、dkii为矢量磁位aii的k阶无旋因子，aki、bki、cki、dki为矢量磁位ai的k阶无旋因子，xk(r)为矢量磁位ai的k阶有旋因子，a0u、b0u为矢量磁位au的0阶无旋因子，aku、bku为矢量磁位au的k阶无旋因子，akj为矢量磁位aj的k阶无旋因子，k为矢量磁位阶数。
43、a0i、aki、akii、bkii、ckii、dkii、aki、bki、cki、dki、xk(r)、a0u、b0u、aku、bku、akj的表达式为：
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【技术保护点】
1.一种径向磁传动伺服电机转矩惯量比优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种径向磁传动伺服电机转矩惯量比优化方法，其特征在于，所述的步骤二中，计算磁传动伺服电机电磁转矩Te、转矩密度Te/Vm比表达式的方法为：
3.根据权利要求2所述的一种径向磁传动伺服电机转矩惯量比优化方法，其特征在于，所述的步骤三中，确定快变动载荷条件下电机需提供转矩Tm、转矩惯量Jm表达式的方法为：
4.根据权利要求3所述的一种径向磁传动伺服电机转矩惯量比优化方法，其特征在于，所述的步骤四中，对初始方案进行修正的参数包括电机的pm、pp、S、r1、r2、r3、r4、r5、r6、β、α、γ结构参数。
5.根据权利要求4所述的一种径向磁传动伺服电机转矩惯量比优化方法，其特征在于，所述的转矩惯量比Tm_max/Jm的计算公式为：
6.根据权利要求5所述的一种径向磁传动伺服电机转矩惯量比优化方法，其特征在于，所述的步骤五中，建立并修正一阶-三阶混合响应面模型的方法为：
7.根据权利要求6所述的一种径向磁传动伺服电机转矩
8.根据权利要求7所述的一种径向磁传动伺服电机转矩惯量比优化方法，其特征在于，所述的步骤六中，进行基于遗传算法的分层优化设计，基于帕累托最优解确定满足复合约束的最佳组合的方法为，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种径向磁传动伺服电机转矩惯量比优化方法，其特征在于，所述的步骤七中，稳健性评估的方法为：在电机加工过程中，由于受到不确定性因素影响导致电机各项性能不满足设计要求的概率，并根据乘法定理，计算电机的整体失效率，若整体失效率满足要求时，则判断优化设计稳健性满足要求。
10.一种径向磁传动伺服电机，其特征在于，所述的径向磁传动伺服电机使用权利要求1-9任一所述的一种径向磁传动伺服电机转矩惯量比优化方法进行转矩惯量比的优化。
...【技术特征摘要】
1.一种径向磁传动伺服电机转矩惯量比优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种径向磁传动伺服电机转矩惯量比优化方法，其特征在于，所述的步骤二中，计算磁传动伺服电机电磁转矩te、转矩密度te/vm比表达式的方法为：
3.根据权利要求2所述的一种径向磁传动伺服电机转矩惯量比优化方法，其特征在于，所述的步骤三中，确定快变动载荷条件下电机需提供转矩tm、转矩惯量jm表达式的方法为：
4.根据权利要求3所述的一种径向磁传动伺服电机转矩惯量比优化方法，其特征在于，所述的步骤四中，对初始方案进行修正的参数包括电机的pm、pp、s、r1、r2、r3、r4、r5、r6、β、α、γ结构参数。
5.根据权利要求4所述的一种径向磁传动伺服电机转矩惯量比优化方法，其特征在于，所述的转矩惯量比tm_max/jm的计算公式为：
6.根据权利要求5所述的一种径向磁传动伺服电机转矩惯量比优化方法，其特征在于，所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋志翌，黄建，张新华，孙碧珣，黄晓凡，王贯，王天乙，
申请(专利权)人：北京自动化控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：
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