團隊介紹
李祥林,青島大學(xué)教授,博士研究生導(dǎo)師,博士,中國電工技術(shù)學(xué)會人工智能與電氣應(yīng)用專委會委員。致力于高效能特種電機及磁齒輪設(shè)計分析、電機系統(tǒng)高品質(zhì)控制等領(lǐng)域的教學(xué)與科研,主持國家自然科學(xué)基金-青年基金、面上項目及市級創(chuàng)新計劃項目、企業(yè)科技攻關(guān)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(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇,獲授權(quán)發(fā)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(shè)計與驅(qū)動控制。曾參與全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目1項,申請軟件著作權(quán)1項,實用新型專利1項。
本文針對電勵磁雙定子場調(diào)制電機雙層氣隙、雙定子的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及含有豐富諧波磁場的特性,以高轉(zhuǎn)矩密度和低轉(zhuǎn)矩紋波為優(yōu)化目標(biāo),將基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化分析以及響應(yīng)面法和單參掃描法等多種優(yōu)化方法相結(jié)合,提出了基于參數(shù)敏感度分層的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法,豐富了該類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的場調(diào)制電機的高效優(yōu)化設(shè)計途徑。
為了保持電機的高轉(zhuǎn)矩密度特性,同時考慮寬調(diào)速性能需求,本文將“雙定子電機”結(jié)構(gòu)和電勵磁方式相結(jié)合,提出一種電勵磁雙定子場調(diào)制電機。與傳統(tǒng)單定子場調(diào)制電機相比,所提電機結(jié)構(gòu)略顯復(fù)雜,并考慮到場調(diào)制電機內(nèi)部復(fù)雜的諧波磁場分布,這對電機的高效優(yōu)化設(shè)計方法提出了新的挑戰(zhàn)。
電機的設(shè)計分析是一個復(fù)雜的多維統(tǒng)籌優(yōu)化過程,涉及電磁轉(zhuǎn)矩、定位力矩、轉(zhuǎn)矩紋波等多個優(yōu)化目標(biāo)。傳統(tǒng)的電機優(yōu)化設(shè)計方法要么優(yōu)化目標(biāo)單一,要么過度依賴經(jīng)驗值,要么全局尋優(yōu)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(biāo)優(yōu)化分析以及響應(yīng)面法和單參掃描法等多種優(yōu)化方法相結(jié)合,提出了基于參數(shù)敏感度分層的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計方法,豐富了該類場調(diào)制電機的高效優(yōu)化設(shè)計途徑。
本文所涉及的電勵磁雙定子場調(diào)制電機所具有的雙層氣隙、雙定子特殊結(jié)構(gòu),導(dǎo)致其優(yōu)化設(shè)計過程中需要考慮的結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多。而且,為滿足電機的高性能要求,優(yōu)化目標(biāo)也由單目標(biāo)上升為多目標(biāo)。
因此,綜合考慮優(yōu)化時效和優(yōu)化精度的需求,需要根據(jù)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對多個優(yōu)化目標(biāo)的影響程度,分別采取有針對性的優(yōu)化設(shè)計分析方法。圖1所示為構(gòu)建的電機優(yōu)化設(shè)計流程。
圖1 電機優(yōu)化設(shè)計流程
在充分考慮電機低速大轉(zhuǎn)矩特性的基礎(chǔ)上,合理確定優(yōu)化目標(biāo)、選取合適的待優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),并依據(jù)場調(diào)制電機的設(shè)計經(jīng)驗及理論推導(dǎo)得到的電機尺寸方程,確定電機主要尺寸參數(shù)的設(shè)計初值及合理變化范圍。然后建立電機的參數(shù)化模型,對電機的電磁性能進行初步評估。
考慮到待優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多,有些結(jié)構(gòu)參數(shù)對優(yōu)化目標(biāo)存在交叉影響,而有些結(jié)構(gòu)參數(shù)則較為獨立,若對不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)均采用單一相同的優(yōu)化方法,則會降低電機優(yōu)化的時效并導(dǎo)致很難尋得最優(yōu)結(jié)構(gòu)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(jù)此對各個結(jié)構(gòu)參數(shù)進行敏感性評估,得到各結(jié)構(gòu)參數(shù)針對某一優(yōu)化目標(biāo)的敏感因子,圖2所示為各結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性分析結(jié)果柱狀圖。
圖2 結(jié)構(gòu)參數(shù)的敏感性分析結(jié)果
在此基礎(chǔ)上,綜合分析電磁轉(zhuǎn)矩、定位力矩及轉(zhuǎn)矩紋波三個優(yōu)化目標(biāo),得到各個結(jié)構(gòu)參數(shù)對于多目標(biāo)的敏感度,從而將待優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jié)構(gòu)參數(shù)(I型參數(shù)),采用基于遺傳算法的優(yōu)化方法進行多維參數(shù)的同時尋優(yōu)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(xiàn)多維優(yōu)化目標(biāo)的自由組合及權(quán)重的靈活設(shè)定,并可合理地控制待優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的閾值范圍、交叉概率及變異概率,從而保證其在尋優(yōu)時效和精度方面更具優(yōu)勢。
此外,針對弱敏感性的結(jié)構(gòu)參數(shù),則繼續(xù)進行分層處理,對于在局部結(jié)構(gòu)上具有關(guān)聯(lián)性的弱敏感性結(jié)構(gòu)參數(shù)(II-1型參數(shù))進行分組,采用基于響應(yīng)面法的優(yōu)化方法進行二維參數(shù)的優(yōu)化分析,而對于在局部結(jié)構(gòu)上相對孤立的弱敏感性結(jié)構(gòu)參數(shù)(II-2型參數(shù)),則采用單參掃描的方法進行單參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計分析。最后,通過有限元計算判斷是否達到優(yōu)化目標(biāo),在反復(fù)優(yōu)化調(diào)整后,最終確定電機的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。
本文針對電勵磁雙定子場調(diào)制電機雙層氣隙、雙定子的復(fù)雜結(jié)構(gòu),提出了一種基于參數(shù)敏感度分層的多種優(yōu)化手段相結(jié)合的多目標(biāo)優(yōu)化分析方法。在建立多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)敏感度將結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分類,并針對性地采用遺傳算法、響應(yīng)面法和單參掃描法對不同敏感度的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計分析,從而快速有效地確定了電機的最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。最終,本文結(jié)合樣機實驗分析,進一步驗證了所提優(yōu)化設(shè)計方法的有效性和有限元分析的正確性。
李祥林, 李金陽, 楊光勇, 王玉彬, 馮興田. 電勵磁雙定子場調(diào)制電機的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)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.