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江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院、江蘇省電動車輛驅(qū)動與智能控制重點實驗室的研究人員劉國海、王艷陽等，在《電工技術(shù)學(xué)報》2018年增刊2上撰文，為降低電機轉(zhuǎn)矩脈動，首先提出一種五相40槽8極的非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機。

在此基礎(chǔ)上，為準(zhǔn)確獲取電機的最優(yōu)參數(shù)值，提升電機轉(zhuǎn)矩性能，以降低轉(zhuǎn)矩脈動和提高輸出轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化目標(biāo)，提出一種基于參數(shù)分層設(shè)計與響應(yīng)曲面法相結(jié)合的多目標(biāo)優(yōu)化方法。通過分析優(yōu)化前后非對稱電機的電磁性能可知，采用改進(jìn)后的非對稱轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)能有效降低電機轉(zhuǎn)矩脈動。

與非對稱、偏移極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)樣機相比，所提出的基于多目標(biāo)優(yōu)化方法設(shè)計的非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機能夠在降低轉(zhuǎn)矩脈動的同時提高轉(zhuǎn)矩密度。

隨著永磁材料的發(fā)展與性能的不斷提升，永磁電機得到了廣泛的應(yīng)用。永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單、高輸出轉(zhuǎn)矩、高功率密度、高效率等優(yōu)點。內(nèi)置式永磁同步電機（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM）的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有凸極性，因而具備寬調(diào)速范圍，目前已被成功應(yīng)用于新能源電動汽車、航空航天等領(lǐng)域中。但內(nèi)置式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動上升，產(chǎn)生機械振動與噪聲，影響其運行性能。

近年來，如何降低內(nèi)置式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動的問題受到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。降低轉(zhuǎn)矩脈動的方法一般可分為改進(jìn)電機控制算法和優(yōu)化電機結(jié)構(gòu)參數(shù)兩種。從控制算法的角度，文獻(xiàn)[4]在勵磁繞組上增加q軸諧波電流，產(chǎn)生一個額外轉(zhuǎn)矩來抑制齒槽轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而降低轉(zhuǎn)矩脈動，但系統(tǒng)的復(fù)雜程度會隨之增加。

從電機結(jié)構(gòu)改進(jìn)的角度，文獻(xiàn)[5]采用分?jǐn)?shù)槽繞組，可有效減少高次諧波，降低齒槽轉(zhuǎn)矩，從而抑制電機轉(zhuǎn)矩脈動的產(chǎn)生，但該方法只能削弱齒槽轉(zhuǎn)矩中的部分諧波。英國Z. Q. Zhu教授提出定子斜槽，可大幅降低齒槽轉(zhuǎn)矩與空載反電動勢的諧波畸變率，不足之處在于犧牲了電機的輸出轉(zhuǎn)矩。

此外，還可采用轉(zhuǎn)子斜極，在定子齒上增加輔助槽，選擇合適的槽極配比等方法降低轉(zhuǎn)矩脈動。文獻(xiàn)[10]通過采用偏移非對稱轉(zhuǎn)子極的方法，可同時有效抑制永磁轉(zhuǎn)矩、磁阻轉(zhuǎn)矩和齒槽轉(zhuǎn)矩的脈動，但制造工藝復(fù)雜，且電機的輸出轉(zhuǎn)矩有所降低。

除了電機結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，還可通過優(yōu)化算法來確定電機的設(shè)計參數(shù)值，從而提升電機的電磁性能。傳統(tǒng)的優(yōu)化方法多借助有限元仿真軟件進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化，計算量大，參數(shù)間的相互影響易被忽略，難以獲取最佳參數(shù)值。

為實現(xiàn)電機的高性能優(yōu)化設(shè)計，文獻(xiàn)[11]提出了Taguchi優(yōu)化方法，該方法可大幅減少仿真計算量，但其最優(yōu)值的選取具有一定局限性。目前，常用智能優(yōu)化算法[12,13]來實現(xiàn)電機的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，如遺傳算法、模擬退火算法、NSGA-II，雖具有良好的全局搜索能力，但不能完全實現(xiàn)自適應(yīng)的遺傳優(yōu)化。

本文提出一種非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機，以降低電機轉(zhuǎn)矩脈動和提高電機輸出轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化目標(biāo)，提出一種參數(shù)分層設(shè)計與響應(yīng)曲面法相結(jié)合的多目標(biāo)優(yōu)化方法，可準(zhǔn)確獲取電機的最優(yōu)參數(shù)值，實現(xiàn)電機的高性能優(yōu)化設(shè)計。與非對稱、偏移極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)樣機相比，所提出的基于多目標(biāo)優(yōu)化方法設(shè)計的非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機不僅降低了轉(zhuǎn)矩脈動，還可有效提升轉(zhuǎn)矩密度。

非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計

圖1 非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機模型結(jié)構(gòu)

非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計

圖2 非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機細(xì)節(jié)參數(shù)優(yōu)化模型

非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計

圖8 樣機的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及實驗平臺

結(jié)論

本文提出了一種非對稱V型內(nèi)置式永磁同步電機，以降低轉(zhuǎn)矩脈動和提升輸出轉(zhuǎn)矩為優(yōu)化目標(biāo)，采用參數(shù)分層設(shè)計與響應(yīng)曲面法相結(jié)合的方法，可快速、高效、準(zhǔn)確地獲取電機參數(shù)值。

仿真對比分析優(yōu)化前后電機的電磁性能，驗證優(yōu)化后的非對稱轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可有效降低轉(zhuǎn)矩脈動。傳統(tǒng)非對稱、偏移極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)樣機雖然可大幅降低轉(zhuǎn)矩脈動，但在磁極偏移過程中，其轉(zhuǎn)矩?fù)p失較大，且制造工藝復(fù)雜。

結(jié)合樣機實驗，所提出的基于多目標(biāo)優(yōu)化方法設(shè)計的非對稱電機不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且電機性能大幅提升。