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(tǒng)高品質(zhì)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(chuàng)新計劃項目、企業(yè)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(fā)表學術論文30余篇，獲授權發(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計與驅(qū)動控制。曾參與全國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)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(diào)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(zhuǎn)矩密度和低轉(zhuǎn)矩紋波為優(yōu)化目標，將基于遺傳算法的多目標優(yōu)化分析以及響應面法和單參掃描法等多種優(yōu)化方法相結合，提出了基于參數(shù)敏感度分層的多目標優(yōu)化設計方法，豐富了該類結構復雜的場調(diào)制電機的高效優(yōu)化設計途徑。

研究背景

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”結構和電勵磁方式相結合，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，所提電機結構略顯復雜，并考慮到場調(diào)制電機內(nèi)部復雜的諧波磁場分布，這對電機的高效優(yōu)化設計方法提出了新的挑戰(zhàn)。

電機的設計分析是一個復雜的多維統(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。傳統(tǒng)的電機優(yōu)化設計方法要么優(yōu)化目標單一，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優(yōu)化分析以及響應面法和單參掃描法等多種優(yōu)化方法相結合，提出了基于參數(shù)敏感度分層的多目標優(yōu)化設計方法，豐富了該類場調(diào)制電機的高效優(yōu)化設計途徑。

論文方法及創(chuàng)新點

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、雙定子特殊結構，導致其優(yōu)化設計過程中需要考慮的結構參數(shù)眾多。而且，為滿足電機的高性能要求，優(yōu)化目標也由單目標上升為多目標。

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)不同結構參數(shù)對多個優(yōu)化目標的影響程度，分別采取有針對性的優(yōu)化設計分析方法。圖1所示為構建的電機優(yōu)化設計流程。

圖1 電機優(yōu)化設計流程

在充分考慮電機低速大轉(zhuǎn)矩特性的基礎上，合理確定優(yōu)化目標、選取合適的待優(yōu)化結構參數(shù)，并依據(jù)場調(diào)制電機的設計經(jīng)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(shù)的設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)化的結構參數(shù)眾多，有些結構參數(shù)對優(yōu)化目標存在交叉影響，而有些結構參數(shù)則較為獨立，若對不同的結構參數(shù)均采用單一相同的優(yōu)化方法，則會降低電機優(yōu)化的時效并導致很難尋得最優(yōu)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(jù)此對各個結構參數(shù)進行敏感性評估，得到各結構參數(shù)針對某一優(yōu)化目標的敏感因子，圖2所示為各結構參數(shù)的敏感性分析結果柱狀圖。

圖2 結構參數(shù)的敏感性分析結果

在此基礎上，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，得到各個結構參數(shù)對于多目標的敏感度，從而將待優(yōu)化的結構參數(shù)分為強敏感性（I型）和弱敏感性（II型）兩大類。針對強敏感性的結構參數(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)化目標的自由組合及權重的靈活設定，并可合理地控制待優(yōu)化結構參數(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，針對弱敏感性的結構參數(shù)，則繼續(xù)進行分層處理，對于在局部結構上具有關聯(lián)性的弱敏感性結構參數(shù)（II-1型參數(shù)）進行分組，采用基于響應面法的優(yōu)化方法進行二維參數(shù)的優(yōu)化分析，而對于在局部結構上相對孤立的弱敏感性結構參數(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)化設計分析。最后，通過有限元計算判斷是否達到優(yōu)化目標，在反復優(yōu)化調(diào)整后，最終確定電機的最優(yōu)結構尺寸。

結論

本文針對電勵磁雙定子場調(diào)制電機雙層氣隙、雙定子的復雜結構，提出了一種基于參數(shù)敏感度分層的多種優(yōu)化手段相結合的多目標優(yōu)化分析方法。在建立多目標優(yōu)化函數(shù)的基礎上，根據(jù)敏感度將結構參數(shù)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(shù)進行多目標優(yōu)化設計分析，從而快速有效地確定了電機的最優(yōu)結構尺寸參數(shù)。最終，本文結合樣機實驗分析，進一步驗證了所提優(yōu)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(diào)制電機的多目標優(yōu)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.