一种单绕组磁悬浮开关磁阻电机结构参数的优化方法
【专利摘要】本发明公开了一种单绕组磁悬浮开关磁阻电机结构参数的优化方法，属于磁悬浮开关磁阻电机的【技术领域】，计算单绕组磁悬浮开关磁阻电机的初始结构参数；对电机模型进行有限元仿真，选取待优化结构参数，确定样本数据集；采用极限学习机算法训练样本数据集构建电机模型；以待优化参数为优化对象，以悬浮力、转矩为优化目标对电机模型进行参数优化。本发明以单隐层前馈神经网络的极限学习机进行模型辨识，无需迭代，能够快速、高精度地对电机模型进行训练，利用多目标寻优算法实现了悬浮力、转矩协同最优的参数设计。
【专利说明】一种单绕组磁悬淳开关磁阻电机结构参数的优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了一种单绕组磁悬浮开关磁阻电机结构参数的优化方法，属于磁悬浮 开关磁阻电机的【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 自20世纪末开始发展，磁悬浮开关磁阻电机受到了研究人员的广泛关注，期间， 研究最多的是双绕组结构的磁悬浮开关磁阻电机，其结构与开关磁阻电机类似，区别在于 将用于产生径向力的绕组和转矩绕组一起叠绕在同一定子极上，使径向力绕组不占用独立 的轴向空间。由于此种电机具有无润滑、无磨损、可以实现大功率和超高速运转的优点，非 常适用于航空航天、高速机床、飞轮储能等领域。然而，双绕组结构的磁悬浮开关磁阻电机 中主绕组与悬浮绕组的强耦合性，使得电机在数学建模、控制算法方面更为复杂；额外的悬 浮绕组加大了电机结构设计的难度；悬浮绕组的增加导致额外的功率放大器与相配套的电 气子系统，增加了控制电路设计复杂度。针对双绕组结构磁悬浮电机的上述缺点，美国国家 航空航天局、德国德累斯顿工业大学以及韩国庆星大学相继开展了单绕组磁悬浮开关磁阻 电机的研究。单绕组磁悬浮开关磁阻电机结构与开关磁阻电机基本一致，主要的区别在于， 开关磁阻电机中多个定子极上线圈串连激励，而单绕组磁悬浮开关磁阻电机中的任意一个 定子极上的线圈均是独立激励，以达到电机转子悬浮、旋转的目的。
[0003] 针对磁悬浮开关磁阻电机的结构优化设计，已经被提出的方法有：采用理论分析 与有限元仿真相结合的设计方法对磁悬浮开关磁阻电机结构进行优化设计，但由于参数优 化需要大量的调用计算模型以获得其输出，所以计算效率低；另一方法是：利用支持向量 机的学习算法训练建立磁悬浮开关磁阻电机模型，针对该电机模型再利用遗传算法以某一 电机运行性能作为优化目标进行寻优，该方法解决了前者计算效率低的问题，但在无智能 算法对支持向量机参数进行优化的情况下，支持向量机训练建立的电机模型精度一般，难 以满足实际需求。另外，遗传算法作为一种单目标优化算法，只能实现悬浮力或者转矩的单 一最大化，两者单独优化难免效果互相削弱。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足，提供了一种单绕组磁悬 浮开关磁阻电机结构参数的优化方法。以单隐层前馈神经网络的极限学习机进行模型的数 据训练，利用非支配排序遗传算法实现多目标寻优。
[0005] 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
[0006] 一种单绕组磁悬浮开关磁阻电机结构参数的优化方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤1，计算单绕组磁悬浮开关磁阻电机的初始结构参数（DaCI，Di(l，l a(l，Ds(l，g(l，β sQ， β κι，hes(l，heKI)，其中，Da(l、Di(l、l a(l、Ds(l、gQ、β s(l、β 分别为转子外径、转子内径、铁芯 实际长度、定子外径、气隙长度、定子极弧、转子极弧、定子轭厚、转子轭厚的初始值；
[0008] 步骤2,对电机模型进行有限元仿真，选取待优化结构参数，确定样本数据集；
[0009] 步骤3,采用极限学习机算法训练样本数据集构建电机模型；
[0010] 步骤4,以待优化参数为优化对象，以悬浮力、转矩为优化目标对电机模型进行参 数优化。
[0011] 进一步的，步骤2按照如下方法进行有限元仿真：
[0012] 步骤2-1，以步骤1计算得到的初始结构参数建立单绕组磁悬浮开关磁阻电机的 有限元模型，对有限元模型仿真得到转矩电流分量i m :以（DaCI, Di(l, la(l, Ds(l, gd, β s(l, β h。%， 建立在Ansoft有限元软件中的单绕组磁悬浮开关磁阻电机模型，在三相轮流导通并 施加额定电压UN的情况下，仿真得到一相绕组仅在导通期间的电流有效值，留待对后续建 立的单绕组磁悬浮开关磁阻电机有限元模型进行激励，一相绕组仅在导通期间的电流有效 值即为转矩电流分量i m;
[0013] 步骤 2-2,在 Ansoft 的 Rmxprt 模块中以（DaCI, Di(l, la(l, Ds(l, gQ, β s(l, β r(l, hcs(l, hcr(l)建 立开关磁阻电机模型，记录下软件自动计算得到的转子质量nv以1?对Matlab/Simulink中 单绕组磁悬浮开关磁阻电机的悬浮系统中转子质量进行设置，之后由该悬浮系统仿真得到 成功实现转子悬浮的径向悬浮力数值区间F，在Ansoft中以（D a(l，Di(l，la(l，Ds(l，gQ，P s(l, Pr0，h 建立单绕组磁悬浮开关磁阻电机的模型，根据径向悬浮力数值区间F仿真得到大致 的悬浮电流分量isa、ise数值；
[0014] 步骤2-3,在铁芯实际长度la、定子外径Ds不变的情况下，给有限元模型中的绕组 施加励磁电流（i m, isa, isfi)，分别改变参数Da、Di、g、β,、真分析得到悬浮力、 转矩随其余结构参数变化的规律，选取对悬浮力、转矩影响不同的结构参数作为待优化参 数Χρ χ2，…Xi，…，xn，i彡η，η = 1，…，7，Xi为转子外径、转子内径、气隙长度、定子极弧、转 子极弧、定子轭厚、转子轭厚中任意一个结构参数，悬浮力、转矩随着结构参数同为单调增 或者同为单调减的结构参数不需要优化，应选取悬浮力随之单调增（或者单调减）而转矩 随之单调减（或者单调增）的结构参数作为待优化参数；
[0015] 步骤2-4,将不同待优化参数数值及其对应的悬浮力Fs、转矩T集合成训练数据集 ( Xl，x2，…，xn，Fs，T)，以该训练数据集作为极限学习机的训练数据。
[0016] 进一步的，步骤4利用非支配排序遗传算法对电机模型进行多目标寻优。
[0017] 作为单绕组磁悬浮开关磁阻电机结构参数的优化方法的进一步优化方案，步骤3 中的极限学习机算法，以隐含层节点数L小于训练样本数N为原则，以定步长搜索的方式确 定隐含层节点数，选择Sigmoid或者Sine或者RBF作为激励函数，以待优化参数Χρ x2，… Xi，…，xn为极限学习机的输入数据，以与待优化参数数值对应的悬浮力以及转矩Fs，T为极 限学习机的输出数据开始训练样本数据集。
[0018] 作为单绕组磁悬浮开关磁阻电机结构参数的优化方法的进一步优化方案，根据传 统开关磁阻电机结构参数计算方法计算得到单绕组磁悬浮开关磁阻电机结构参数，为了进 一步说明传统开关磁阻电机结构参数计算方法，结构参数定义如下：
[0019]
【权利要求】
1. 一种单绕组磁悬浮开关磁阻电机结构参数的优化方法，其特征在于包括如下步骤： 步骤1，计算单绕组磁悬浮开关磁阻电机的初始结构参数：(DaCI, Di(l, la(l, Ds(l, gd, β s(l, β Λ ，hcs(l，hra(l)，其中，Da(l、Di(l、l a(l、Ds(l、gQ、β s(l、β w hcs(l、hcKI 分别为转子外径、转子内径、铁芯实 际长度、定子外径、气隙长度、定子极弧、转子极弧、定子轭厚、转子轭厚的初始值； 步骤2,对电机模型进行有限元仿真，选取待优化结构参数，确定样本数据集； 步骤3,采用极限学习机算法训练样本数据集构建电机模型； 步骤4,以待优化参数为优化对象，以悬浮力、转矩为优化目标对电机模型进行参数优 化。
2. 根据权利要求1所述的单绕组磁悬浮开关磁阻电机结构参数的优化方法，其特征在 于，步骤2按照如下方法进行有限元仿真： 步骤2-1，以步骤1计算得到的初始结构参数建立单绕组磁悬浮开关磁阻电机的有限 元模型，对有限元模型仿真得到转矩电流分量im; 步骤2-2,以有限元模型中的转子质量仿真得到悬浮力数值区间F，再由悬浮力数值区 间F仿真得到悬浮电流分量isa、ise ; 步骤2-3,在铁芯实际长度、定子外径不变的情况下，给有限元模型中的绕组施加励磁 电流（im，isa，ise)，仿真分析得到悬浮力、转矩随其余结构参数变化的规律，选取对悬浮力、 转矩影响不同的结构参数作为待优化参数Xp X2,…Xi，…，Xn，i〈n，n = 1，…，7，Xi为转子外 径、转子内径、气隙长度、定子极弧、转子极弧、定子轭厚、转子轭厚中任意一个结构参数； 步骤2-4,将不同待优化参数数值及其对应的悬浮力Fs、转矩T集合成训练数据集 (X" x2,…，xn，Fs，T)。
3. 根据权利要求1或2所述的单绕组磁悬浮开关磁阻电机结构参数的优化方法，其特 征在于，步骤4利用非支配排序遗传算法对电机模型进行多目标寻优。
4. 根据权利要求3所述的单绕组磁悬浮开关磁阻电机结构参数的优化方法，其特征 在于，步骤3中的极限学习机算法，以隐含层节点数小于训练样本数为原则，以定步长搜索 的方式确定隐含层节点数，选择Sigmoid或者RBF作为激励函数，以待优化参数Χρ x2，… Xi，…，xn为极限学习机的输入数据，以与待优化参数数值对应的悬浮力以及转矩Fs，T为极 限学习机的输出数据开始训练样本数据集。
5. 根据权利要求4所述的单绕组磁悬浮开关磁阻电机结构参数的优化方法，其特征在 于，步骤1按照式子： D .1 6.1 人?1 + ")/2" 厂紅05/:? ηΝ I =λ.Ω a 1 a D = D /λ, s a I l D = λ'Ο i 5 a D - D + 2 e si a o ^ - A,sin ~ bPr = D" ^iny Κτ = Λ K = 确定结构参数初始值，ki为绕组电流系数，km为方波电流系数，PN为额定功率，nN为额 定转速，Π 为效率，BS为磁负荷，A为电负荷，bps为定子极身宽度，lv为转子极身宽度，λ ρ λ 2、λ 3、λ 4、λ 5 为系数， 为满足单绕组磁悬浮开关磁阻电机自启动能力的要求，转子极弧βρ定子极弧03取 值必须满足： A+/i< - s ' N, r < β, ^ β,，队为转子齿极个数,m为电流相数。 β? [ mNr
【文档编号】H02N15/00GK104283393SQ201410499891
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月25日 优先权日:2014年9月25日
【发明者】朱志莹, 孙玉坤, 胡文宏, 卢冰洋, 王锴, 李峤 申请人:南京工程学院