双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化方法与装置

本发明涉及电机本体结构设计及电机容错模式性能优化，尤其涉及一种双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化方法与装置。

背景技术：

1、由于双三相永磁同步电机多相数提供的高控制自由度，其具有高可靠性和容错控制灵活的优点，使其在现代军事和重要工业领域中的应用日益广泛。

2、双三相永磁同步电动机可以在绕组和驱动桥臂发生故障的情况下转化为五相、四相甚至三相运行，但进入容错模式后其绕组电流分配和磁场分布会发生相应的变化，从而引发绕组铜耗、定子铁耗和永磁体涡流损耗的变化，影响电机效率和转矩输出能力等性能。因此，双三相永磁同步电机故障后容错模式运行性能的提升成为了其高可靠性领域重点关注的问题之一。

3、针对该问题，大多数研究主要针对某一种容错模式进行控制策略或电机本体设计的优化，没有综合考虑针对健康和所有容错模式进行定转子拓扑的优化，以同时提升全容错模式下电机系统的性能。再者，多相电机的轻量化设计也是当前亟需解决的问题之一，如何优化双三相永磁同步电机定转子拓扑结构以实现在保证电机输出效率的同时，减轻电机重量，提高其功率密度和转矩密度成为了当前的研究热点之一。

4、此外，当双三相永磁同步电机进入容错模式后，绕组电流和磁场的变化也会增加电机内部的热应力，可能会造成电机绕组绝缘老化和永磁体高温退磁等一系列电机热问题，进而给电机的可靠运行带来挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化方法与装置，本发明以电机系统温升为强加边界条件，以电机在健康模式(六相运行)、五相运行、四相运行和三相运行全容错模式范围内的轻量化设计和效率为优化函数的双目标，在保证电机整体尺寸不变的情况下，采用遗传算法对电机的转子极弧系数，气隙长度、定子齿开槽的槽口宽度和深度、铁芯长度和永磁体的厚度及重量进行优化，寻求定转子结构的最优解集；以使得优化定转子结构后，既能达到电机轻量化设计的要求，又能确保全容错模式下电机在温度所限定的可靠运行范围内以较高的功率密度、转矩密度和效率运行，达到提升双三相永磁同步电机在全容错范围内的性能并实现轻量化设计的目的。

2、本发明按以下技术方案实现：

3、本发明提供了一种双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化方法，包括以下步骤：建立以电机系统温度为强加边界条件，以电机的转子极弧系数、气隙长度、定子齿开槽的槽口宽度和深度、铁芯长度和永磁体的厚度及重量为优化对象，寻求健康和所有容错模式下的轻量化设计和效率均最优的目标函数；

4、通过采用遗传算法对目标函数进行寻优控制，从而得出满足轻量化设计和效率的最优解。

5、在一种实施方式中，所述双三相永磁同步电机包括不对称六相永磁同步电机a6、对称六相永磁同步电机s6，并且两套绕组中性点连接方式包含公共中性点连接和中性点隔离连接方式，此外上述不同中性点连接方式和绕组分布的双三相永磁同步电机在发生断相故障时都能进入五相运行、四相运行和三相运行容错模式。

6、在一种实施方式中，所述建立以电机系统温度为强加边界条件，以电机的转子极弧系数、气隙长度、定子齿开槽的槽口宽度和深度、铁芯长度和永磁体的厚度及重量为优化对象，寻求健康和所有容错模式下的轻量化设计和效率均最优的目标函数，包括：

7、根据双三相永磁同步电机实际运行参数，建立双三相永磁同步电机与驱动器的直接耦合分析模型；

8、通过直接耦合分析模型计算某一工况时健康和所有容错模式下定转子拓扑改变时系统的功率密度、转矩密度和效率，并拟合出某一工况下系统轻量化设计指标和效率随上述定转子拓扑变化的曲线，进而建立全运行范围内健康和所有容错模式下系统轻量化设计指标和效率关于转矩、转速和定转子拓扑的映射图谱；

9、设定双三相永磁同步电机可靠运行的温度阈值并建立电磁-温度双向耦合的全链式分析模型，计算全运行范围内健康及所有容错模式下定转子拓扑改变时的温升情况，并建立全容错模式下电机系统温度随定转子拓扑改变的映射图谱；

10、通过上述映射图谱对健康和所有容错模式下的轻量化设计指标和效率会进行综合考量，以双三相永磁同步电机电机系统温度为强加边界条件；在电机整体尺寸不变的前提下，寻求全容错模式下轻量化设计和效率都最优的定转子拓扑组合，并以此优化转子极弧系数、气隙长度、定子齿开槽的槽口宽度和深度、铁芯长度和永磁体的厚度及重量，从而寻求出健康和所有容错模式下的轻量化设计和效率均最优的目标函数。

11、在一种实施方式中，所述根据双三相永磁同步电机实际运行参数，建立双三相永磁同步电机与驱动器的直接耦合分析模型，表示为：

12、

13、其中，uin和iin分别为驱动单元输出至定子绕组的相电压和相电流，rs为绕组相电阻，les为绕组的端部电感，la为铁心的轴向长度，s为绕组横截面积，ω+和ω-分别为求解域中绕组线圈正方向和负方向的总面积；

14、其中，绕组的端部电感取决于每个线圈的端部绕组电感之和，其值可由以下经验公式计算：

15、

16、其中，μ0为真空磁导率，n为线圈匝数，d为线圈两边所跨的弦长，ap为并联支路数，lgmd为导体间的几何距离。

17、在一种实施方式中，电机系统温度阈值和强加边界条件为：

18、tlimit＝min(twinding*95％，tpm*95％)

19、

20、其中，tlimt为电机系统的温度阈值，twinding为电机绕组的绝缘耐温等级，tpm为电机永磁体的耐温等级，tj为第j种运行模式下电机系统的温度；

21、基于瞬态温度场和流体动力学理论，并考虑绕组阻值随温度变化的影响，建立电磁-温度双向耦合的全链式分析模型，三维瞬态温度场的分析方程和边界条件可表示为：

22、

23、

24、

25、其中，λx,λy和λz分别为求解域内材料沿x,y和z方向的导热系数,qv为各热源密度之和,ρ为密度，c为比热容，ks1和ks2分别为s1与s2面的法向导热系数，s1为电机绝热边界面，s2为电机散热边界面，kα为散热面s2的散热系数，tf为环境温度；

26、绕组材料的电阻率和温度的关系可表示为：

27、ρt＝ρ0[1+αr(t-t0)]

28、其中，ρt和ρ0分别为在温度t和t0时绕组材料的电阻率，αr为绕组材料的电阻率温度系数。

29、在一种实施方式中，所述目标函数表达式如下：

30、

31、

32、

33、其中，j＝1,2,3,4分别表示双三相永磁同步电机运行在健康模式(六相运行)、五相运行模式、四相运行模式和三相运行模式，νj表示第j种运行模式效率和轻量化设计指标在目标函数中所占的权重系数，tj表示第j种运行模式的电机系统温升情况，tlimt表示所设定双三相永磁同步电机可靠运行的温度阈值，ηj,sp_j,ste_j分别表示第j种运行模式下电机运行的效率、功率密度和转矩密度，并且η＝pout/pin，sp_j＝pn/va，ste_j＝t2n/va，pout为电机系统输出功率，pin为电机系统输入功率，pn为电机额定功率，t2n为电机输出额定转矩，va为电机铁芯与绕组包围的空间体积，即电机铁芯与绕组端部所占的总体积。

34、在一种实施方式中，通过采用遗传算法对目标函数进行寻优控制，从而得出满足轻量化设计和效率的最优解,包括：

35、(1)通过二进制编码表示不同定转子拓扑组合的个体，并根据编码对应的参数范围确定搜索种群的规模，采用随机方法产生初始种群；

36、(2)建立适应度函数，并计算每种定转子拓扑组合的适应度函数值，通过适应度函数对定转子拓扑组合进行优劣的定量评价；

37、(3)利用轮盘赌算法选择进入下一代群体中的定转子拓扑组合；

38、(4)采用随机配对的方法进行两两个体之间染色体基因的交叉互换；

39、(5)对二进制编码中某一位的进行补运算的个体进行变异操作；

40、(6)采用精英保留策略，将群体中迄今出现的适应度函数值最优的定转子拓扑组合直接复制到下一代中，从而保证算法的收敛性，使算法能够渐进收敛到全局最优解；

41、(7)反复执行步骤(2)到(6)，直到寻求到最优的定转子拓扑组合，满足目标函数中健康和所有容错模式下轻量化设计和效率都较优的终止条件。

42、在一种实施方式中，所述通过二进制编码表示不同定转子拓扑组合的个体，具体为：

43、选用长度为6×8位的二进制编码表示一种定转子拓扑的组合，其中最高八位表示转子极弧系数对应的基因，次高八位表示气隙长度对应的基因，中高八位表示定子开槽的槽口宽度对应的基因，中低八位表示定子开槽的槽口深度对应的基因，次低八位表示铁芯长度对应的基因，最低八位表示永磁体的厚度及重量对应的基因；

44、转子极弧系数以0.02为步长在0.4到1.3之间进行参数优化设计，气隙长度以0.02mm为步长在0.4mm到1.5mm之间进行参数优化设计，定子槽的槽口宽度以0.05mm为步长在0到5mm之间进行参数优化设计，定子槽的槽口深度以0.05mm为步长在0到5mm之间进行参数优化设计，铁芯长度以1mm为步长在90mm到260mm之间进行参数优化设计，永磁体的厚度以0.05mm为步长在2mm到8mm之间进行参数优化设计。

45、在一种实施方式中，适应度函数通过寻求电机全容错模式下轻量化设计和效率最优的目标函数确定，并采用幂律尺度变化法进行标定，以使得在算法优化过程的初始阶段缩小个体适应度之间的差距；在算法优化过程的最后阶段扩大个体之间的适应度差异，保证算法在高适应度值个体对应解区域进行集中搜索，加快算法收敛速度，其适应度函数及其标定方法如下：

46、

47、

48、h(x)＝f(x)α

49、其中，cmin是足够小的常数，g(x)为以电机温度为强加边界条件，定转子拓扑为优化对象，健康和所有容错模式下轻量化设计和效率为优化目标的目标函数；f(x)为当前种群的适应度函数，n为群体规模，xi表示群体中第i个个体，即第i种定转子拓扑组合，为当前种群的平均适应度，且通过反映种群中不同定转子拓扑组合之间的优劣性，h(x)为随着遗传代数变换后的适应度函数，当参数α>1时，选择压力会增大，当参数α<1时，选择压力会减小。

50、本发明还提供了一种双三相永磁同步电机定转子拓扑的智能优化装置，所述装置包括：

51、目标函数构建模块，用于建立以电机系统温度为强加边界条件，以电机的转子极弧系数、气隙长度、定子齿开槽的槽口宽度和深度、铁芯长度和永磁体的厚度及重量为优化对象，寻求健康和所有容错模式下的轻量化设计和效率均最优的目标函数；

52、遗传算法寻优控制模块，用于通过采用遗传算法对目标函数进行寻优控制，从而得出满足轻量化设计和效率的最优解。

53、本发明有益效果：

54、1、从电机绕组绝缘耐温等级和永磁体耐温等级两方面对电机系统温升情况进行限制，在以电机系统温升为强加边界条件下对转子极弧系数、气隙长度和定子齿开槽的槽口宽度和深度、铁芯长度和永磁体厚度及重量进行优化设计；

55、2、双三相永磁同步电动机可以在绕组和驱动桥臂发生故障的情况下转化为五相、四相甚至三相运行容错模式，该定转子拓扑的优化设计同时考虑健康和所有容错模式，不只是简单的针对健康运行状态或某一种容错模式，而是在全运行范围内全容错模式下进行优化设计，旨在同时提升全运行范围内健康和所有容错模式下的性能，并实现电机轻量化设计。

56、3、优化控制以健康和所有容错模式下的功率密度、转矩密度和效率为优化目标，通过对定转子拓扑的优化可以实现在全运行范围内健康和所有容错模式下功率密度、转矩密度和效率都较优；

57、4、同时考虑电机轻量化设计、所有容错状态下的温升和性能降低问题，以及定转子拓扑优化过程中的温升情况，通过所给出的定转子拓扑智能算法优化设计可以达到优化定转子拓扑结构后既保证电机在温度阈值范围内可靠运行，又从功率密度、转矩密度和效率方面提升全容错模式下的运行性能。