单绕组磁悬浮开关磁阻飞轮电机和声混沌搜索优化设计_图文

1、 第 30 卷第 2 期 袁 野等 单绕组磁悬浮开关磁阻飞轮电机和声混沌搜索优化设计 15 16.5 49.3 49.2 1 197 1 195 440 233 439 052 185 18.20 17.94 D s 96.5,98 非正比例增加，因此， D s 需要作为优 化的结构参数。 4.1.2 转子（定子轭高）对电机性能影响 限于篇幅，只分析转子轭高对电机性能影响。 表 2 给出了轭高 hcr 分别为 9mm 和 10.5mm，其余考 察参数不变（ b =15 ° ， D s = 96.5mm ， h cs = 9.5mm ， N =32 ），电机性能评定参数的取值情况。 表

2、2 Tab.2 转子轭高 /mm (N·m/kW 9 10.5 50.11 49.3 1 154 1 197 416 635 442 233 17.89 18.2 从表 4 可以看出：绕组匝数为 32 匝时，电机 性能指标参数值均大于绕组匝数为 38 匝参数值， 但参数值非常接近，误差在 1%以内。为了使得结 构参数在寻优过程中更加准确，本文将绕组匝数也 作为电机结构参数优化目标。 采用正交试验 与随机 试验设计方法 ，获得电机参数变量空间中有代表性 的样本数据点 ，并建立最小二乘支持向量机 19,20 （ LV- 转子轭高对电机性能影响 Influence of h cr for

3、motor performance TP / TV / (N·m/m 3 FV / (N/m 3 FP / (N/W SVM ） 非参数模型。 SWBSRFM 考察 结构参数因素 和取值 区间见 表 5 。可优化参数初始 值设置为 D s =96.5mm ， b =15 ° ， hcr =9mm ， h cs =9mm ， N =36。 表5 SWBRSFM 结构参数因素水平表 D s /m m 水平 1 水平 2 水平 3 水平 4 96.5 97 97.5 98 从表 2 可以看出：当转子轭高为最小值 （ 9mm ）时， TV、 FV 与 FP 小于转子轭高为最大值 （

4、 10.5mm）时的 TV、FV 与 FP，但是 TP 却大于最 大值时的 TP。表明电机性能指标参数取值在 h cr 9,10.5 非正比例增加，因此， h cr 需要作为优化的 结构参数。 4.1.3 极弧对电机性能影响 表 3 给出了极弧 b 分别为 15 ° 和 16.5° ，其余考 察参数不变（ h cr =10.5mm ， D s =96.5mm ， h cs = 9.5mm ， N =32），电机性能评定参数的取值情况。 表3 Tab.3 极弧 / （° ） 15 16.5 TP / (N·m/kW 49.3 36.7 Tab.5 Leve

5、l of the structural parameters of SWBRSFM b （° ） 15 15.5 16 16.5 h cr /m m 9 9.5 10 10.5 h cr /m m 9 9.5 10 10.5 32 34 36 38 N/匝 考察因素 通过磁场仿真分析可知结构参数对 TV 、 FV 、 FP 与 TP 等优化目标的影响程度不同，将这些性能 参数同时最大化作为优化目标函数将无法获得唯一 最优解，因此必须重新设计优化目标函数。综合考 FP / 极弧对电机性能影响 Influence of b for motor performance TV / (N

6、83;m/m 3 1 197 1 117 FV / (N/m 3 442 233 442 579 虑电机性能参数与优化函数求解的唯一性，定义统 一优化目标函数为 f = max w1 FV + w2TV + w3 FP + w4TP (N/W 18.2 14.58 （ 20 ） 从表 3 可以看出：当极弧为最小值（ 15° ）时， TP 、 TV 与 FP 大于最大值（ 10.5mm ）时的 TP 、 TV 与 FP ，但是 FV 却小于最大值时的 FV 。表明性 能指标参数取值在 b 16.5,15内非正比例增加，因 此， b 需要作为优化的结构参数。 4.1.4 绕组对电机性能影

7、响。 表 4 给出了绕组 N 分别为 32 和 38 ，其余参数 不变（ hcr =10.5mm ， D s =96.5mm ， h cs =9.5mm ， b = 15 ° ），电机性能评定参数的取值情况。 表4 Tab.4 匝数 / (° TP / (N·m/kW 由于转子直驱飞轮，需提供足够大的悬浮力保 证转子飞轮在恶劣环境下稳定悬浮。该飞轮装置在 设计时，力求达到体积小，结构紧凑，悬浮性能好。 因此参数 FV 权重因子最大。同时考虑 SWBSRFM 的主要应用环境和飞轮装置设计要求， 权重因子可以取： w 1 =0.4 ， w 4 =0.1 。 4.2 和

8、声混沌搜索策略参数设置 和声决策变量 x i 分别对应 D s 、 b 、 h cr 、 hcs 、 N 。 HMCR 、 PAR 和 b w 分别可由式 （ 21）式 （ 23 ）得到。其中， H max =10 000 ， H min =7 000， C max =1 000 ， C min = 800， P max =0.4 ， P min =0.3 。 w 2 =0.3 ， w 3 =0.2 ， 绕组匝数对电机性能影响 Influence of N for motor performance TV / (N·m/m 3 FV / (N/m 3 FP / (N/W 186 电

9、工 技 术 学 报 2015 年 1 月 HMCR = H max - Cnow PAR = Pmin + Cnow H max - H min Cmax （ 21 ） 500 迭代次数。 图 6 与 图 7 给出优化后的 SWBRSFM 与相同尺寸下 BRSM 转矩、水平方向 悬浮力对比示意 图。 Pmax - Pmin Cmax （ 22 ） bw = 1 u ( xi - xil 30 （ 23 ） 本实验中，通过正交试验 得到的数据均放入和 声库里， 正交试验与随机试验得到的数据用来 LVSVM 训练。 4.3 SWBRSFM 结构参数 HCS 优化结果 表 6 给出了用和声混沌搜索优

10、化算法后的 SWBRSFM 结构参数。表 7 给出了初步设计样机 （ IDM ）与优化后的 SWBRSFM 转矩效率 TP 、悬 浮效率 FP 、转矩功率密度 TV 和悬浮功率密度 FV 性能比较 。 表6 Tab.6 参数 结果 D s /mm 97 迭代次数 / 10 3 图5 Fig.5 目标函数值变化曲线 Curve of objective function value 优化后 SWBSRFM 参数 b （° ） 15 h cr /mm 10.5 h cs /mm 10 Parameters of optimized SWBRSFM N/匝 32 表7 IDM 与优化后 S

11、WBSRFM 性能比较 Performance comparison between 图6 FP / (N/W 17.83 18.42 Tab.7 optimized SWBRSFM and IDM 性能参数 TP / (N·m/kW 初步设计 优化电机 49.5 51.4 TV / (N·m/m 3 1152 1197 FV / (N/m 3 416635 442583 SWBSRFM 与 BSRM 水平悬浮力对比图 Comparison chart of horizontal suspension force between SWBSRFM and BSRM Fig.6

12、 根据图 5 所示， 采用 HCS 优化的 SWBRSFM 目标函数值 在迭代 4 000 次左右即可 寻 得最优和声，而 采用 HS ，则 78 000 次左右 寻得 “ 最优 ”和声， 从实验数据 可以看出 ：优化后的电机 转矩效率 TP 提高约 1.9N·m/kW ，悬浮效率 FP 提高 1.6F/W ，转矩功率密度 TV 提高 45N·m/m3，悬浮功 率密度 FV 提高 25 948F/m 3 。各项性能指标 均优于 初始设计样机，表明单绕组磁悬浮飞轮电机 ，体积 小，效率高，电磁特性优。在电机转子外径、定子 内径、轴向长度以及轴向长度不变的条件下， 定子 外径、

13、 定转子极弧 、转子轭高 、定子轭高以及绕组 作为可变参数，通过 和声混沌搜索 ，结合统一优化 目标函数，优化后电机的 转矩效率 TP 、悬浮效率 FP 、转矩功率密 度 TV 和悬浮功率密度 FV 均优于 初始电机，表明 和声混沌搜索 基本满足电机参数优 化设计要求。 为进一步验证优化后电机性能与和声混沌搜索 算法 的 优越性，图 5 给出了 HCS 与 HS 在 寻 求 最优 和声期间，目标函数值变化曲线。 采样频率为 图7 Fig.7 SWBSRFM 与 BSRM 转矩对比图 Comparison chart of torque between SWBSRFM and BSRM 但所得

14、目标函数值与采用 HCS 优化相比， 并没有 达到最优效果。原因是 HS 陷入了局部搜索，所得 目标函数值 仅是局部最优解。 反映了混沌搜索全局 第 30 卷第 2 期 袁 野等 单绕组磁悬浮开关磁阻飞轮电机和声混沌搜索优化设计 187 历遍性可以弥补和声搜索局限性，同时 HCS 又不 失灵活、快速。 从图 6 与图 7 可以看出： （ 1）采用 HCS 优化后 的 SWBSRFM 转矩最大 值 0.51N·m ，平均转矩约 0.44N·m ，均高于 BSRM 转矩最大值 0.48N·m 平均转矩 0.38N·m ，优 化后的电机具有良好的转矩特性。 （

15、 2） SWBSRFM 转矩降幅（导通区间内，转矩 最大值与 q =15 ° 时转矩值之差）约为 0.05N·m ， BSRM 转矩降幅约 0.14N·m ，表明 SWBSRFM 输出 转矩更加稳定。 （ 3） SWBSRFM 最大悬浮力为 270N，BSRM 最 大悬浮力为 250N，表明目标样机的悬浮能力优于相 同外径下的 BSRM 。 （ 4） SWBSRFM 悬浮力在 q =0 ° 与 q =15 ° 分别取 得最大值与最小值，且在导通区间内具有近似线性 分布，符合磁悬浮开关磁阻电机基本的电磁特性， 本文提出的 SWBSRFM 设计方法

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22、的研究 尚处实验室阶段，仍有许多关键问题没有统一的解 决方案 。随着新型导电、导磁和绝缘材料以及优化 算法的出现，从本体上对电机进行优化设计以加快 磁悬浮开关磁阻电机普及应用，将是今后发展的一 个重要方向。 本文设计出更适合应用 于飞轮储能的 单绕组磁悬浮开关磁阻飞轮电机，将和声算法的简 单、灵活特点与混沌变量的全局搜索能力结合起来， 应用于 样机结构参数优化。仿真 试验表明：单绕组 磁悬浮开关磁阻飞轮电机 ，体积小，效率高。通过 和声混沌搜索优化，电机具有良好的转矩与悬浮能 力。和声混沌搜索算法在参数优化过程中，精度高， 速度快，为电机参数优化设计提供了新思路，同时 适用于向其他工程领域推广

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