一种确定无刷双馈电机转子最优设计参数的方法与流程

本发明属于电机设计领域，具体的说是涉及一种确定无刷双馈电机转子最优设计参数的解耦方法。

背景技术：

无刷双馈电机(Brushless Doubly Fed Machine，BDFM)是一种新型的交流电机，它结构简单、坚固耐用、安全可靠性高、维修成本低、起动和运行特性良好，并且能方便地实现异步、同步、双馈和变速恒频发电等多种运行方式。这使BDFM在传统交流调速系统和风力、水力系统的变速恒频发电领域有广阔的应用前景，对其的研究和开发也逐渐趋于热门。

目前，BDFM的主要研究方向是发现结构更简单且对磁场调制能力更强的转子，相关研究和文献中基本都会出现不同形式转子电机性能的对比分析，但如何在确定转子形式后，获得该类转子的最优物理结构，即获得对磁场调制能力最优的此类转子，还没有具体方法，且在不同形式转子无法同时达到最优性能点的情况下，对它们的性能作横向对比所得出的结论也显得缺乏说服力，甚至会影响BDFM的整体开发进度。因此，找到一种保证可以使BDFM各类转子达到最优性能点的方法是很有意义的。

技术实现要素：

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种确定无刷双馈电机转子最优点参数的方法，其通过对所选定的参数进行不断的解耦，去除各个参数之间可能存在的相互作用，最终得出BDFM转子的最优物理结构。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种确定无刷双馈电机转子最优设计参数的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、根据工艺设计需要对无刷双馈电机转子所对应的各设计参数进行筛选并确定若干关键参数；

步骤2、自所确定的各关键参数中随机选择一个关键参数作为第一解耦参数；

步骤3、在保证其他关键参数符合上述工艺设计需要的仿真条件下，对所述第一解耦参数进行分布仿真分析并选定对磁场调制能力最好的分布值作为第一解耦参数值；所述分布仿真分析是指对当前所选定的解耦参数设定不同的分布值，并对所设定的各分布值进行有限元仿真分析；

步骤4、自剩余的关键参数中随机选择一个关键参数作为第二解耦参数；在保证以所选定的第一解耦参数值为基准，同时其他仿真条件保持一致的情况下，对第二解耦参数进行分布仿真分析并选定对磁场调制能力最好的分布值作为第二解耦参数值；

步骤5、基于所选定的第二解耦参数值，对第一解耦参数、第二解耦参数进行解耦分析，以确定所述第一解耦参数值与第二解耦参数值两者间不存在相互影响即确定本步骤中所选定的第一解耦参数值及第二解耦参数值为各自所对应的解耦参数的最优设计值；其中，所述的解耦分析包括首先在保证以当前所选定的第二解耦参数值为基准，同时其他仿真条件保持一致的情况下，再次对所述第一解耦参数进行分布仿真分析并自所设定的分布值中再次选定对磁场调制能力最好的分布值作为第一解耦参数值；其次对两次分布仿真分析中所选定两个的第一解耦参数值进行一致性检验即判断所选定的两个第一解耦参数值是否基本相同；是则，确定第一解耦参数值与第二解耦参数值两者间不存在相互影响；否则确定所述第一解耦参数与第二解耦参数两者间存在相互影响，并循环重复下述步骤直至确定第一解耦参数值与第二解耦参数值两者间不存在相互影响，所述步骤是指在保证以最新选定的第一解耦参数值为基准，同时其他仿真条件保持一致的情况下，再次对所述第二解耦参数进行分布仿真分析并自重新选定对磁场调制能力最好的第二解耦参数值后，以最新选定的第二解耦参数值为基准，同时其他仿真条件保持一致的情况下，对所述第一解耦参数进行分布仿真分析并自所设定的分布值中选定对磁场调制能力最好的分布值作为新的第一解耦参数值并对当前两次分布仿真分析中所选定两个的第一解耦参数值进行一致性检验；

步骤6、自剩余的关键参数中依次随机选择一个关键参数作为第N解耦参数；在保证以所选定的第一解耦参数最优设计值、第二解耦参数最优设计值、第N-1解耦参数最优设计值为基准，同时其他仿真条件保持一致的情况下，对第N解耦参数进行分布仿真分析并选定对磁场调制能力最好的分布值作为第N解耦参数值，其中N取值≥3；

步骤7、基于所选定的第N解耦参数值，确定所述第一解耦参数值、第二解耦参数值、第N-1解耦参数各参数间是否均不存在相互影响，以确定出全部关键参数各自所对应的解耦参数的最优设计值。

进一步的，作为本发明优选方案

步骤7中所述的确定过程包括：

步骤71、自第一解耦参数、第二解耦参数、第N-1解耦参数中随机选定一个要与第N解耦参数进行解耦分析的解耦参数；

步骤72、在保证以当前所选定的第N解耦参数值为基准，剩余的解耦参数对应最优设计值，同时其他仿真条件保持一致的情况下，重新对该解耦参数进行分布仿真分析并选定对磁场调制能力最好的分布值作为其所对应的解耦参数值后，对第N解耦参数与该解耦参数进行解耦分析，以判断所选定的解耦参数所对应的解耦参数值与第N解耦参数值两者间是否不存在相互影响，是则确定当前仿真条件下，第N解耦参数与所选定的解耦参数所对应的解耦参数值即最优设计值；否则，通过对第N解耦参数与该解耦参数进行解耦分析重新选定的所选定的解耦参数、第N解耦参数各自所对应的最优设计值；

步骤73、循环重复前述步骤71-步骤72，完成第N解耦参数与第一解耦参数、第二解耦参数、第N-1解耦参数中全部解耦参数的解耦分析过程，以确定全部关键参数各自所对应的解耦参数的最优设计值。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明基于分布仿真分析方法，通过分别对选定的各关键参数进行不断的解耦分析，去除各个关键参数之间可能存在的相互作用，确保了各个关键参数同时达到对磁场调制能力最有利的值，最终实现了BDFM转子的最优物理结构即最优设计。

附图说明

图1为本发明所述方法对应的步骤流程图；

图2为本发明所述实例对应的步骤流程图；

图3为本发明所述实例对应的凸极磁障式转子结构图；

图4为本发明所述实例对应的关键参数示意图；

图5a为本发明所述实例对应的凸极磁障式转子的最优化仿真模型；

图5b为本发明所述实例对应的圆形片磁障式转子的最优化仿真模型；

图6a为本发明所述实例对应的凸极磁障式转子的仿真输出波形；

图6b为本发明所述实例对应的圆形片磁障式转子的仿真输出波形；

图7a为本发明所述实例对应的凸极磁障式转子的数据分析结果；

图7b为本发明所述实例对应的圆形片磁障式转子的数据分析结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图2所示，本发明所述方法包括，如下步骤；

步骤1、根据工艺设计需要对无刷双馈电机-BDFM的转子所对应的各设计参数进行筛选并确定若干关键参数；之所以设置该步骤的目的是BDFM已经确定的转子形式排除干扰并选定关键参数，其中所述关键参数选择随工艺设计需要设定，但是基本原则需遵循下述原则：a)所选的参数尽可能的少；b)所选的参数尽量在物理结构上不互相干预；c)所选参数必须能完全限定该转子的物理结构形式，即参数值全部确定后，转子可以明确的设计出来。

步骤2、自所确定的各关键参数中随机选择一个关键参数作为第一解耦参数，为了便于理解此处称为1号参数。

步骤3、在保证其他关键参数符合上述工艺设计需要的仿真条件下，对所述1号参数设定不同的分布值，并对所设定的各分布值进行二维有限元瞬态场仿真，以获得对磁场调制能力最好的分布值作为第一解耦参数值，该值暂定为第一解耦参数的最优值。

步骤4、自剩余的关键参数中随机选择一个关键参数作为第二解耦参数即2号参数；在保证以所选定的第一解耦参数值为基准，同时其他仿真条件完全相同的情况下，对2号参数设定不同的分布值，并对所设定的各分布值进行有限元仿真分析，以获得对磁场调制能力最好的分布值作为第二解耦参数值该值暂定为第二解耦参数的最优值。

步骤5、基于当前所选定的第二解耦参数的最优值，对1号参数、2号参数进行解耦分析，以确定所述第一解耦参数值与第二解耦参数值两者间不存在相互影响即确定本步骤中所选定的第一解耦参数值及第二解耦参数值为各自所对应的解耦参数的最优设计值；所述的解耦分析包括首先在保证以当前所选定的第二解耦参数值(即为步骤4所选定的第二解耦参数的最优值)为基准，同时其他仿真条件与前次保持一致的情况下，再次对所述第一解耦参数进行分布仿真分析并自所设定的分布值中再次选定对磁场调制能力最好的分布值作为第一解耦参数值；其次对两次分布仿真分析中所选定两个的第一解耦参数值进行一致性检验即判断所选定的两个第一解耦参数值是否基本相同，所述基本相同是指所选定的两个第一解耦参数值的差值的绝对值不大于所设定的偏差阈值；是则，确定第一解耦参数值与第二解耦参数值两者间不存在相互影响，可暂定为各自对应的最优设计值；否则确定针对1号参数所进行的两次分布仿真分析中所选定两个的第一解耦参数值发生比较大的偏移，被确定为所述第一解耦参数与第二解耦参数两者间存在相互影响，并循环重复下述步骤直至确定第一解耦参数值与第二解耦参数值两者间不存在相互影响，所述步骤是指在保证以最新选定的第一解耦参数值为基准，同时其他仿真条件保持一致的情况下，再次对所述第二解耦参数进行分布仿真分析并自重新选定对磁场调制能力最好的第二解耦参数值后，以最新选定的第二解耦参数值为基准，同时其他仿真条件保持一致的情况下，对所述第一解耦参数进行分布仿真分析并自所设定的分布值中选定对磁场调制能力最好的分布值作为新的第一解耦参数值并对当前两次分布仿真分析中所选定两个的第一解耦参数值进行一致性检验；此过程称之为1号参数与2号参数的解耦分析过程。同时本案中的不存在相互影响是指选定的各个关键参数在达到对电机性能发挥最有利的分布值时不对其它关键参数已经确定的最优值产生影响。

若仅仅选定两个关键参数，则步骤1-5已完成全部关键参数各自所对应的解耦参数的最优设计值的确定过程；但是通常来说选定关键参数至少是3个以上的，那么就需要不断引入新的解耦参数进行解耦分析，但是解耦分析的基本原则是只要有某一解耦参数的最优设计值在解耦分析过程中发生偏移即未通过一致性检验，就重新返回本次解耦的初始点，进行分布仿真分析并重新解耦分析。具体的，作为本发明的优选实例，若关键参数的个数为3个，则步骤6为将剩余的关键参数作为第三解耦参数，称为3号参数；在保证以所选定的第一解耦参数最优设计值、第二解耦参数最优设计值，同时其他仿真条件保持一致的情况下，对3号参数设定不同的分布值，并对所设定的各分布值进行二维有限元瞬态场仿真，以获得对磁场调制能力最好的分布值作为第三解耦参数值，该值暂定为第三解耦参数的最优值；步骤7、基于所选定的第三解耦参数的最优值，确定所述第一解耦参数值、第二解耦参数值、第三解耦参数各参数间是否均不存在相互影响，以确定出全部关键参数各自所对应的解耦参数的最优设计值。进一步的，作为本发明的优选实例，所述步骤7包括：步骤71、自第一解耦参数、第二解耦参数、中随机选定一个要与第N解耦参数进行解耦分析的解耦参数，如图2，本例首选选择第一解耦参数、即1号参数；步骤72、在保证以当前所选定的第三解耦参数的最优值为基准，剩余的第二解耦参数分别对应步骤5中所选定的最优设计值，同时其他仿真条件保持一致的情况下，重新对第一解耦参数进行分布仿真分析并选定对磁场调制能力最好的分布值作为其所对应的第一解耦参数值后，对第三解耦参数与第一解耦参数进行解耦分析，以判断第一解耦参数所对应的解耦参数值与第三解耦参数值两者间是否不存在相互影响，是则确定当前仿真条件下，第三解耦参数与第一解耦参数所对应的解耦参数值即最优设计值；否则，通过对第三解耦参数与第一解耦参数进行解耦分析重新选定的第一解耦参数、第三解耦参数各自所对应的最优设计值；步骤73、重复前述步骤71-步骤72，即将第二解耦参数即2号参数作为第二个要与第三解耦参数进行解耦分析的解耦参数，在保证以当前所选定的第三解耦参数的最优值为基准，第一解耦参数对应步骤72中所选定的最优设计值，同时其他仿真条件保持一致的情况下，重新对第二解耦参数进行分布仿真分析并选定对磁场调制能力最好的分布值作为其所对应的第二解耦参数值后，对第三解耦参数与第二解耦参数进行解耦分析，以判断第二解耦参数所对应的解耦参数值与第三解耦参数值两者间是否不存在相互影响，是则确定当前仿真条件下，第三解耦参数与第二解耦参数所对应的解耦参数值即最优设计值且此时即确定出全部最优设计值；否则，以当前所重新选定的第二解耦参数值为基准，同时其他仿真条件保持一致的情况下，再次重新对第一解耦参数进行分布仿真分析并选定对磁场调制能力最好的分布值作为其所对应的第一解耦参数值后，确定第一解耦参数所对应的解耦参数值与第三解耦参数值两者间是否不存在相互影响；即反复重复进行一致性检验，直至确定所述第一解耦参数值、第二解耦参数值、第三解耦参数各参数间均不存在相互影响，此时即可确定出全部关键参数各自所对应的解耦参数的最优设计值。作为本发明的优选实例，若关键参数的个数为3个以上，则其最优设计值的确定过程可参考关键参数的个数为3个的解析过程，即保证每一解耦参数与其他任意一个解耦参数的解耦参数值均能通过一致性检验，若未通过则以该解耦参数最新选定的解耦参数值为基准，重新进行解耦分析。

为了使得上述技术方案更为清楚，下述内容以如图3所示凸极磁障式转子BDFM发电机优化设计为具体实例方式对本发明所涉及的技术方案作以详细说明，具体如下：

此电机的主要参数如表1所示：

表1电机主要参数

则该BDFM发电机转子参数优化设计方法具体为：

步骤1、排除干扰以及筛选关键参数：所述排除干扰是指利用二维有限元瞬态场对比分析，排除了两项主要干扰：1a)导磁片不等宽对转子调制能力影响不大，考虑工艺实现的复杂程度，本例采用等宽的导磁片；1b)五个小凹陷处有导磁片虽然会使输出相电压幅值略有提高，但会明显增加谐波含量，影响输出波形效果，因此，本例选择不在此处加小导磁片；基于上述筛选关键参数原则，本例关键参数分别选择为：中心距h、导磁片长宽比m＝L1/L2、导磁片片数d、小齿系数a＝θ1/72、大齿系数b＝θ2/72，如图4所示。

步骤2、自所确定的4个关键参数中，选择导磁片片数d作为第一解耦参数-1号参数，在保证其他关键参数符合上述工艺设计需要的仿真条件下，对所述1号参数设定不同的分布值，并对所设定的各分布值进行二维有限元瞬态场仿真，如表2所示，取h＝18mm、m＝2、a＝0.2、b＝0.1，综合考虑气隙中有用次谐波含量、输出相电压幅值及工艺因素，d取2最为适合，该值暂定为第一解耦参数的最优值。

步骤3、自所确定的4个关键参数中，选择导磁片长宽比m作为第二解耦参数-2号参数，在保证以所选定的第一解耦参数值为基准，同时其他仿真条件完全相同的情况下即h＝18mm、d＝2、a＝0.2、b＝0.1，对2号参数设定不同的分布值，并对所设定的各分布值进行二维有限元瞬态场仿真，如表3所示，此时m最优值取3/2。

基于当前所选定的第二解耦参数的最优值，对1号参数d、2号参数m进行解耦分析，以确定本步骤中所选定的第一解耦参数值及第二解耦参数值为各自所对应的解耦参数的最优设计值；即取h＝18mm、m＝3/2、a＝0.2、b＝0.1，对不同的d取值电机模型进行二维瞬态场有限元分析，如表4所示：在m取最优值时，d＝2仍然是符合设计要求的最优点，即证明d与m两个参数已实现解耦，确定两者间不存在相互影响进而确定达到最优值。

表4

步骤4、自所确定的4个关键参数中，选择中心距h作为第三解耦参数-3号参数，在保证以步骤3所选定的第一解耦参数值、第二解耦参数值为基准，同时其他仿真条件完全相同的情况下即取d＝2、m＝3/2、a＝0.2、b＝0.1，对不同的h取值电机模型进行二维瞬态场有限元分析结果如表5所示：h最优值取30mm；

对h和d进行解耦：h＝30mm、m＝3/2、a＝0.2、b＝0.1，对不同的d取值电机模型进行二维瞬态场有限元，发现d的最优值仍取2；

则继续对h和m进行解耦：取h＝30mm、d＝2、a＝0.2、b＝0.1，对不同的m取值电机模型进行二维瞬态场有限元分析结果如表6所示：从表中可见，在h取最优值时，m＝3/2不再是符合设计要求的最优点，而新的最优点出现在m＝1处，即h的最优值对m的最优值产生了影响，因此，需将m＝1带回重新进行解耦；在仿真条件取d＝2、m＝1、a＝0.2、b＝0.1，对不同的h取值电机模型进行二维瞬态场有限元分析，发现h的最优值仍取30mm；继续取h＝30mm、m＝1、a＝0.2、b＝0.1，对不同的d取值电机模型进行二维瞬态场有限元，发现d的最优值仍取2，则此时说明参数d、m和h已在最优点实现解耦，同时达到最优值。

步骤5、自所确定的4个关键参数中，选择小齿系数a或者大齿系数b作为第四解耦参数-4号参数，在保证以步骤4所选定的第一解耦参数值、第二解耦参数值、第二解耦参数值为基准，同时其他仿真条件完全相同的情况下进行解耦分析，但是由于参数a与参数b直接决定着转子表面导磁部分的分布，因此它们可以看成一个整体参数进行分析，提高优化效率。

则步骤5调整为先进行参数a和b的设计与解耦，再与另外三个参数进行解耦，即取d＝2、m＝1、h＝30mm、a＝0.2，对不同的b取值电机模型进行二维瞬态场有限元分析结果如表7所示：b最优值取0.1；继续取d＝2、m＝1、h＝30mm、b＝0.1，对不同的a取值电机模型进行二维瞬态场有限元分析结果如表8所示：a最优值取0.3；

先对参数a和b进行解耦分析：即取d＝2、h＝30mm、m＝1、a＝0.3，对不同的b取值电机模型进行二维瞬态场有限元分析，发现在a取最优值时，b＝0.1仍然是符合设计要求的最优点，证明a与b两个参数已实现解耦，同时达到最优值；

在确定a＝0.3，b＝0.1后，分别对d、m、h进行解耦分析：取h＝30mm、m＝1、a＝0.3、b＝0.1，对不同的d取值电机模型进行二维瞬态场有限元分析，发现d的最优值仍取2；取h＝30mm、d＝2、a＝0.3、b＝0.1，对不同的m取值电机模型进行二维瞬态场有限元分析，发现m的最优值仍取1；取d＝2、m＝1、a＝0.3、b＝0.1，对不同的h取值电机模型进行二维瞬态场有限元分析，发现h的最优值仍取

30mm。即可确定在a、b取最优值时，h＝30mm、m＝1、d＝2仍然是符合设计要求的最优点，证明参数a、b与h、m、d已实现解耦，同时达到最优值。最终得出此优化最优参数组合：h＝30mm、m＝1、d＝2、a＝0.3、b＝0.1。

当然可以通过进一步细化参数分布值得出更精确的优化组合，但本例设计精度已经基本足够，细化参数已不会使三个指标量有很大的增幅。

为了进一步验证优化效果，按照此参数值，在二维有限元瞬态场环境下绘制电机模型，基于凸极磁障式转子、圆形片磁障式转子的最优电机模型进行仿真对比，两模型除转子结构形式不同外，定子、励磁输入、转速等其他条件完全相同，如图5a、图5b所示；经仿真运算后功率绕组输出的反电动势波形和数据分析结果分别如图6a、图6b、图7a、图7b所示。

对比分析结果可以发现采用凸极磁障式转子会使输出电压幅值略高于采用磁障式转子的情况，但有用次谐波含量却低于磁障式转子，输出谐波含量高，对磁场调制能力差，效率较低。这主要是因为凸极处没有磁隔离造成的，仿真结论与实际理论相符，并且通过本发明所述的最优点参数解耦法优化设计得到的凸极磁障式转子的气隙磁场有用次谐波含量已与最优化的圆形片磁障式转子十分接近，证明了本发明的正确性和可行性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。