團隊介紹

李祥林，青島大學教授，博士研究生導師，博士，中國電工技術學會人工智能與電氣應用專委會委員。致力于高效能特種電機及磁齒輪設計分析、電機系統高品質控制等領域的教學與科研，主持國家自然科學基金-青年基金、面上項目及市級創新計劃項目、企業科技攻關等縱橫向項目多項，獲江蘇省專利項目金獎1項，在SCI、EI上發表學術論文30余篇，獲授權發明專利11項。

李金陽，碩士研究生，研究方向為同步磁阻電機的本體設計與驅動控制。曾參與全國大學生創新創業項目1項，申請軟件著作權1項，實用新型專利1項。

導語

本文針對電勵磁雙定子場調制電機雙層氣隙、雙定子的復雜結構以及含有豐富諧波磁場的特性，以高轉矩密度和低轉矩紋波為優化目標，將基于遺傳算法的多目標優化分析以及響應面法和單參掃描法等多種優化方法相結合，提出了基于參數敏感度分層的多目標優化設計方法，豐富了該類結構復雜的場調制電機的高效優化設計途徑。

研究背景

為了保持電機的高轉矩密度特性，同時考慮寬調速性能需求，本文將“雙定子電機”結構和電勵磁方式相結合，提出一種電勵磁雙定子場調制電機。與傳統單定子場調制電機相比，所提電機結構略顯復雜，并考慮到場調制電機內部復雜的諧波磁場分布，這對電機的高效優化設計方法提出了新的挑戰。

電機的設計分析是一個復雜的多維統籌優化過程，涉及電磁轉矩、定位力矩、轉矩紋波等多個優化目標。傳統的電機優化設計方法要么優化目標單一，要么過度依賴經驗值，要么全局尋優能力差，要么過程繁瑣效率低。

本文將基于遺傳算法的多目標優化分析以及響應面法和單參掃描法等多種優化方法相結合，提出了基于參數敏感度分層的多目標優化設計方法，豐富了該類場調制電機的高效優化設計途徑。

論文方法及創新點

本文所涉及的電勵磁雙定子場調制電機所具有的雙層氣隙、雙定子特殊結構，導致其優化設計過程中需要考慮的結構參數眾多。而且，為滿足電機的高性能要求，優化目標也由單目標上升為多目標。

因此，綜合考慮優化時效和優化精度的需求，需要根據不同結構參數對多個優化目標的影響程度，分別采取有針對性的優化設計分析方法。圖1所示為構建的電機優化設計流程。

圖1 電機優化設計流程

在充分考慮電機低速大轉矩特性的基礎上，合理確定優化目標、選取合適的待優化結構參數，并依據場調制電機的設計經驗及理論推導得到的電機尺寸方程，確定電機主要尺寸參數的設計初值及合理變化范圍。然后建立電機的參數化模型，對電機的電磁性能進行初步評估。

考慮到待優化的結構參數眾多，有些結構參數對優化目標存在交叉影響，而有些結構參數則較為獨立，若對不同的結構參數均采用單一相同的優化方法，則會降低電機優化的時效并導致很難尋得最優結構尺寸。

因此，本文首先利用有限元方法對電機性能進行初步分析，并據此對各個結構參數進行敏感性評估，得到各結構參數針對某一優化目標的敏感因子，圖2所示為各結構參數的敏感性分析結果柱狀圖。

圖2 結構參數的敏感性分析結果

在此基礎上，綜合分析電磁轉矩、定位力矩及轉矩紋波三個優化目標，得到各個結構參數對于多目標的敏感度，從而將待優化的結構參數分為強敏感性（I型）和弱敏感性（II型）兩大類。針對強敏感性的結構參數（I型參數），采用基于遺傳算法的優化方法進行多維參數的同時尋優分析。

相較于JMAG軟件自帶的遺傳算法，本文提出改進的遺傳算法，通過編程能夠方便地實現多維優化目標的自由組合及權重的靈活設定，并可合理地控制待優化結構參數的閾值范圍、交叉概率及變異概率，從而保證其在尋優時效和精度方面更具優勢。

此外，針對弱敏感性的結構參數，則繼續進行分層處理，對于在局部結構上具有關聯性的弱敏感性結構參數（II-1型參數）進行分組，采用基于響應面法的優化方法進行二維參數的優化分析，而對于在局部結構上相對孤立的弱敏感性結構參數（II-2型參數），則采用單參掃描的方法進行單參數的優化設計分析。最后，通過有限元計算判斷是否達到優化目標，在反復優化調整后，最終確定電機的最優結構尺寸。

結論

本文針對電勵磁雙定子場調制電機雙層氣隙、雙定子的復雜結構，提出了一種基于參數敏感度分層的多種優化手段相結合的多目標優化分析方法。在建立多目標優化函數的基礎上，根據敏感度將結構參數進行分類，并針對性地采用遺傳算法、響應面法和單參掃描法對不同敏感度的結構參數進行多目標優化設計分析，從而快速有效地確定了電機的最優結構尺寸參數。最終，本文結合樣機實驗分析，進一步驗證了所提優化設計方法的有效性和有限元分析的正確性。

引用本文

李祥林, 李金陽, 楊光勇, 王玉彬, 馮興田. 電勵磁雙定子場調制電機的多目標優化設計分析[J]. 電工技術學報, 2020, 35(5): 972-982. Li Xianglin, Li Jinyang, Yang Guangyong, Wang Yubin, Feng Xingtian. Multi-Objective Optimization Analysis of Electric-Excitation Double-Stator Field-Modulated Machine. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(5): 972-982.