一种单相感应电动机多参数多目标优化设计方法与流程

1.本发明涉及电机优化设计方法，更具体的说是一种针对单相感应电动机的多参数多目标优化设计方法。


背景技术：

2.单相感应电动机是靠单相交流电源供电的一类电机，由于它结构简单、运行可靠、制造容易、成本低廉、使用方便、有较高的效率和较好的工作特性，因此在只有单相电源的小型工业设备(纺织机械、医疗机械、食品机械等)、家用电器(洗衣机、电冰箱、电风扇、空调器等)、电动工具(如手电钻)和自动化仪表中应用广泛。
3.近年来，我国单相感应电动机发展很快，需求量不断上升。随着科技的发展和人们生活水平的提高，用户对电机的性能要求越来越高，而单相感应电动机设计完成后，往往达不到最佳性能状态。单相感应电动机的性能不仅包括输出性能(如输出转矩、输出功率和效率)，还包括nvh(noise，vibration，and harshness，即振动、噪声和声振粗糙度)性能，后者会影响电机的使用舒适性。在某些对舒适性要求较高的场合，电机的nvh性能是必须要考虑的。对于单相感应电动机，电磁噪声是影响其nvh性能的主要因素之一。电磁噪声的源头是作用于电机外定子齿表面的电磁力，削弱对电磁噪声影响较大的电磁力成分可以从源头上削弱电磁噪声，从而改善电机nvh性能。
4.在电机各部件材料已定的情况下，影响电机性能的参数主要包括两大类：几何结构参数和电路参数。各个参数对电机各项性能的影响不尽相同，且电机各项性能之间存在此消彼长的复杂制约关系，很难使电机各项性能均达到最优。为提高电机性能，需以电机的各几何参数和电路参数为优化参数，以电机各项性能为优化目标，在一定约束条件下，找到各优化参数的最优取值。然而，对于单相感应电动机，现有单相感应电动机优化设计方法大多仅通过改变电机几何结构参数来优化电机性能，往往不能同时满足电机输出性能提升和nvh性能改善，即：若提升输出性能则会引起nvh性能的恶化，若改善nvh性能则会以牺牲部分输出性能为代价。事实上，在电机类型和拓扑结构已确定的情况下，仅通过改变电机几何结构参数来提升电机性能的方法本身就存在这种局限性。因此，利用现有方法很难同时考虑单相感应电动机的几何结构参数和电路参数、很难同时实现单相感应电动机输出性能提升和nvh性能改善。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决上述现有技术缺陷，提供一种适用于单相感应电动机的多参数多目标优化设计方法，利用该方法指导单相感应电动机的优化设计过程，可以在原型机的基础上通过改变电机几何结构参数和电路参数，快速实现电机输出性能提升和nvh性能改善，从而提高产品的市场竞争力。
6.本发明解决上述现有技术缺陷所采用的技术方案是：
7.一种单相感应电动机多参数多目标优化设计方法，包括以下步骤：
8.步骤1：通过单相感应电动机原型机的电磁噪声测试试验，获取单相感应电动机原型机的电磁噪声数据，利用测试数据分析单相感应电动机原型机的电磁噪声幅频特性，找出幅值大于设定(幅值)阈值的频率成分；
9.具体步骤如下：
10.1.1开展单相感应电动机原型机的电磁噪声测试试验，试验按照相关的电机噪声测试标准(如《gb/t 10069.1-2006旋转电机噪声测定方法及限值第1部分：旋转电机噪声测定方法》)执行；
11.1.2对测试数据进行快速傅里叶变换，得到单相感应电动机原型机的电磁噪声幅频特性图；
12.1.3提取各特征频率及其对应的幅值，特征频率记为fi，对应幅值记为ai，其中，fi＝(2i-1)f0，i＝1，2，3，...，10，f0＝np/60，n为转速，p为极对数；
13.1.4设定一个幅值阈值a0，将各个特征频率fi所对应的幅值ai逐一与阈值a0作比较，若 ai＞a0，则记录此ai对应的fi，若不存在任何ai＞a0，则适当减小a0值，重复此步骤，记录所有大于a0的ai所对应的fi；
14.步骤2：利用单相感应电动机电磁有限元模型优化几何结构参数；
15.具体步骤如下：
16.2.1根据原型机参数，建立单相感应电动机电磁有限元模型，并将模型几何结构参数进行参数化；
17.2.2确定需要优化的几何结构参数及其取值范围，可在确定优化参数前进行参数敏感性分析，将参数按照敏感度从高到低排序，选择前n(n为正整数且n≤n，n为几何结构参数总数)个参数作为优化参数，以提高优化效率；
18.2.3以电机输出性能(转矩、效率等)和nvh性能(步骤1.4中记录的各个频率fi处的电磁力幅值a
′i)为优化目标，采用寻优算法(和声搜索算法、遗传算法或粒子群算法)寻优，此优化问题描述为：
19.min(-t，-η，a
′i)
[0020][0021]
其中，min(.)表示最小值函数，t为转矩，η为效率，a
′i为频率fi处的电磁力幅值(若有多个，均需纳入优化目标)，gn表示第n个几何结构优化参数，g
nmin
表示第n个几何结构优化参数的最小取值，g
nmax
表示第n个几何结构优化参数的最大取值；
[0022]
2.4计算完成后，比较优化前后各优化目标的值，根据以下公式选择s值最大的方案为最优方案：
[0023][0024]
其中，w1、w2和w3分别为转矩、效率和相应频率处电磁力幅值的权重因子(通常，取
w1＝0.3， w2＝0.3，w3＝0.4，也可根据需要设定，例如，若以削弱电磁噪声为主要优化目标，则适当增大w3，减小w1和w2，且w1+w2+w3＝1)，t0、η0和a
′0分别为优化前即原型机的转矩、效率和频率fi处的电磁力幅值；
[0025]
2.5提取最优方案所对应的几何结构参数值。
[0026]
步骤3：利用单相感应电动机电磁解析模型优化电路参数。
[0027]
具体步骤如下：
[0028]
3.1根据步骤2中最优方案的几何结构参数值，建立单相感应电动机电磁解析模型；
[0029]
3.2根据单相感应电动机各电路参数(如绕组匝数、绕组线径和运行电容等)对电机输出性能的影响规律及约束条件的限制(如槽满率限制和绕组最大电流限制)，确定需要优化的电路参数及其取值范围；
[0030]
3.3以电机转矩和效率为优化目标，采用寻优算法寻优，此优化问题描述为：
[0031]
max(t
′
，η
′
)
[0032][0033]
其中，max(.)表示最大值函数，t
′
为转矩，η
′
为效率，en表示第n个电路优化参数，e
nmin
表示第n个电路优化参数的最小取值，e
nmax
表示第n个电路优化参数的最大取值；
[0034]
3.4计算完成后，比较优化前后各优化目标的值，可根据以下公式选择s
′
值最大的方案为最优方案：
[0035][0036]
其中，w
′1和w
′2分别为转矩和效率的权重因子(通常，取w
′1＝0.5，w
′2＝0.5，也可根据需要设定，例如，若以效率为主要优化目标，则适当增大w
′2，减小w
′1，且w
′1+w
′2＝1)，t
′0和η
′0分别为步骤2中最优方案的转矩和效率；
[0037]
3.5提取最优方案所对应的电路参数值。
[0038]
进一步的，通过单相感应电动机多物理场仿真验证优化后的电机的性能。
[0039]
具体步骤如下：
[0040]
4.1建立单相感应电动机的机-电-磁-固-声多物理场仿真模型；
[0041]
4.2分别对原型机和优化后的电机进行多物理场仿真，得到电机转矩、效率和电磁噪声仿真结果；
[0042]
4.3对电磁噪声仿真结果进行快速傅里叶变换，并对比优化前后电机转矩、效率和电磁噪声仿真结果；
[0043]
4.4判断优化方案是否满足预期，即判断优化后的电机是否同时实现了输出性能提升和 nvh性能改善(比原型机转矩高、效率高且电磁噪声小)，若满足，输出此方案所对应的几何结构参数和电路参数，若不满足，返回步骤2，使用优化后的电机参数作为原型机参
数重复优化，直至满足预期。
[0044]
本发明中所述优化样机指利用优化方法在原型机的基础上通过改变电机参数得到的优化后的电机。
[0045]
本发明中所述原型机指只经过初始设计而未进行任何二次优化的原始样机。
[0046]
使用本发明“一种单相感应电动机多参数多目标优化设计方法”，一方面，不仅可以提高单相感应电动机的转矩和效率，从而提升输出性能；另一方面，还可以减小特定频率的电磁力，从源头上削弱电磁噪声，进而改善电机nvh性能。本发明具有可以同时考虑单相感应电动机的几何结构参数和电路参数、同时实现单相感应电动机输出性能提升和nvh性能改善的优点，且适用于各种类型的单相感应电动机，应用范围广、计算速度快、优化设计效率高。
附图说明
[0047]
图1是本发明优化方法的流程图；
[0048]
图2是原型机电磁噪声测试结果的幅频特性图。
[0049]
图3是单相感应电动机电磁有限元模型图。
[0050]
图4是单相感应电动机几何结构参数示意图。
[0051]
图5是单相感应电动机电路参数示意图。
[0052]
图6是单相感应电动机多物理场仿真模型图。
[0053]
图7是原型机和优化样机的机械特性曲线仿真结果对比图。
[0054]
图8是原型机和优化样机的电磁噪声仿真结果对比图。
具体实施方式
[0055]
下面结合附图详细描述本发明的实施例。
[0056]
本实施例以一台双值电容单相感应电动机为例，详细说明使用本发明的方法对其优化的具体过程。
[0057]
如图1所示，一种单相感应电动机多参数多目标优化方法，包括以下步骤：
[0058]
步骤1：通过单相感应电动机原型机的电磁噪声测试试验，获取单相感应电动机原型机的电磁噪声数据，利用测试数据分析单相感应电动机原型机的电磁噪声幅频特性，找出幅值较大的频率成分。具体步骤步骤如下：
[0059]
1.1按照《gb/t 10069.1-2006旋转电机噪声测定方法及限值第1部分：旋转电机噪声测定方法》中规定的测试方法测量该单相感应电动机的电磁噪声；
[0060]
1.2对测试数据进行快速傅里叶变换，得到该单相感应电动机的电磁噪声幅频特性图，如图2所示；
[0061]
1.3该电机额定转速n＝910r/min，极对数p＝3，计算得基频f0＝np/60＝45.5hz，提取特征频率f1＝2f0，f2＝4f0，f3＝6f0，
…
，f
10
＝20f0及其所对应的幅值a1，a2，a3，
…
， a
10
；
[0062]
1.4设定幅值阈值a0＝60，将各幅值与阈值作比较，可得频率f7＝14f0所对应的幅值 a7＞a0。
[0063]
步骤2：利用单相感应电动机电磁有限元模型优化几何结构参数。具体步骤步骤如下：
[0064]
2.1如图3所示，根据原型机的几何尺寸、材料和电磁参数在电磁有限元仿真软件中建立单相感应电动机电磁有限元模型，并将模型几何结构参数进行参数化；
[0065]
2.2如图4所示，选择转子外径rr、转子内径rs、定子槽口宽度sw、转子槽底圆半径sb、转子槽顶圆半径s
t
、转子槽长度s
l
和转子斜槽角度sa为优化参数，取值范围分别为43≤rr≤ 43.35、43.35≤rs≤44、0.5≤sb≤1.5、1.5≤s
t
≤2.5、5≤s
l
≤15、0.5≤sw≤1.5和 0≤sa≤30；
[0066]
2.3以电机转矩t、效率η和频率f7处的电磁力幅值a
′7为优化目标，采用遗传算法寻优，此优化问题可以描述为：
[0067]
min(-t，-η，a
′7)
[0068][0069]
2.4计算完成后，比较优化前后各优化目标的值，根据以下公式选择s值最大的方案为最优方案：
[0070][0071]
其中，w1、w2和w3分别为转矩、效率和频率14f0处的电磁力幅值的权重因子(本例以削弱电磁噪声为主要优化目标，故选择较大的w3、较小的w1和w2，且w1+w2+w3＝1)，t0、η0和 a
′0分别为优化前即原型机的转矩、效率和频率14f0处的电磁力幅值；
[0072]
2.5提取最优方案所对应的几何结构参数值，如表1所示。
[0073]
表1
[0074]
参数rr/mmsb/mms
l
/mms
t
/mmrs/mmsw/mmsa/
°
值43.2380.8856.0482.13943.7981.0854.567
[0075]
步骤3：利用单相感应电动机电磁解析模型优化电路参数。具体步骤步骤如下：
[0076]
3.1根据步骤2得到的优化电机的参数，通过合成电流法建立单相感应电动机电磁解析模型，并利用编程软件编程计算；
[0077]
3.2如图5所示，选择跨距为6的主绕组线圈匝数n
m1
、跨距为4的主绕组线圈匝数n
m2
、跨距为2的主绕组线圈匝数n
m3
、跨距为6的副绕组线圈匝数n
a1
、跨距为4的副绕组线圈匝数 n
a2
、主绕组线径dm、副绕组线径da和运行电容c为优化参数，取值范围分别为5≤n
m1
≤50、 5≤n
m2
≤50、5≤n
m3
≤50、5≤n
a1
≤50、5≤n
a2
≤50、0.9≤dm≤1.5、0.9≤da≤1.5 和5≤c≤50，且须保证每槽槽满率不大于75％及主副绕组电流不超过其线径所能承受的最大电流；
[0078]
3.3以电机转矩t
′
和效率η
′
为优化目标，采用遗传算法寻优，此优化问题可以描述为：
[0079]
max(t
′
，η
′
)
[0080][0081]
3.4计算完成后，比较优化前后各优化目标的值，根据以下公式选择s
′
值最大的方案为最优方案：
[0082][0083]
其中，w
′1和w
′2分别为转矩和效率的权重因子(本例以转矩为主要优化目标，故选择较大的w
′2和较小的w
′1，且w
′1+w
′2＝1)，t
′0和η
′0分别为步骤2中最优方案的转矩和效率；
[0084]
3.5提取最优方案所对应的电路参数值。如表2所示。
[0085]
表2
[0086]
参数n
m1nm2nm3na1na2dm
/mmda/mmc/uf值15301238431.20.7435
[0087]
步骤4：通过单相感应电动机多物理场仿真验证优化后电机的性能。具体步骤步骤如下：
[0088]
4.1如图6所示，在多物理场仿真软件中建立单相感应电动机的多物理场仿真模型；
[0089]
4.2分别对原型机和优化后的电机进行多物理场仿真，得到电机转矩、效率和电磁噪声仿真结果；
[0090]
4.3如图7和图8所示，对比优化前后电机机械特性曲线和电磁噪声仿真结果，经计算，采用现有方法(目前普遍采用的仅通过优化电机几何结构参数来提高电机性能的方法)优化后的优化样机额定转速下的电磁噪声总声压级较原型机减小了9db(a)，但同时转矩减小了 1.91n
·
m，效率下降了2.82％；采用本发明的方法优化后的优化样机额定转速下的电磁噪声总声压级较原型机减小了7.9db(a)，同时转矩提高了2.21n
·
m，效率提高了1.12％；
[0091]
4.4由以上分析可以判断，现有方法虽然改善了nvh性能，但同时也牺牲了部分输出性能(优化样机虽然比原型机电磁噪声小，但同时转矩低、效率低)，而本发明的方法同时实现了输出性能的提升和nvh性能的改善(优化样机比原型机转矩高、效率高且电磁噪声小)；输出此方案所对应的几何结构参数和电路参数。
[0092]
至此，本发明已得到了详细描述。所述内容只是为了便于理解本发明的实施方式，并非毫无遗漏的，亦并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何修改与变化。如此描述是为了更好地说明本发明的原理和实际应用。