本發(fā)明涉及永磁同步電機(jī)中永磁體的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體為永磁同步電機(jī)的分段式正弦形永磁體優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著電力電子技術(shù)和新能源汽車的蓬勃發(fā)展，永磁同步電機(jī)作為新能源汽車領(lǐng)域常見的電機(jī)類型，永磁同步電機(jī)的發(fā)展成為新能源汽車以及我國工業(yè)領(lǐng)域中一個(gè)重要話題。

2、永磁同步電機(jī)具有高效率、結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩大、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)永磁同步電機(jī)在運(yùn)行過程中永磁材料因振動、高溫以及過載電流等作用產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩和振動噪聲。一方面改變永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)以及形狀會影響電機(jī)氣隙中的磁場分布，因此在永磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，采用合理的設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化方法降低電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)在運(yùn)行過程中受到的振動噪聲是十分必要的；另一方面，稀土材料價(jià)格昂貴，稀土永磁同步電機(jī)的成本比一般電勵磁電機(jī)更加昂貴，在設(shè)計(jì)時(shí)既需要根據(jù)具體使用場合和要求進(jìn)行性能、價(jià)格的比較后取舍，對永磁體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)保證永磁體的導(dǎo)磁性、輕量化高利用率也是十分必要的。因此在降低電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動以及齒槽轉(zhuǎn)矩和伴隨電機(jī)振動產(chǎn)生的噪聲的同時(shí)，提高永磁體的導(dǎo)磁率和利用率是當(dāng)前永磁電機(jī)中永磁體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域一個(gè)重要的研究方向。

3、在目前研究中表明，正弦形的永磁體形狀能夠使永磁同步電機(jī)中永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場更加接近正弦形，所以正弦形的永磁體具有更小的氣隙磁密諧波和齒槽轉(zhuǎn)矩，但正弦形永磁體在加工過程中存在加工困難、成本較高等問題。為了還原正弦形永磁體的性能，目前國內(nèi)外專家學(xué)者大都采用階梯式分段來代替正弦形，但這樣階梯式的分段會造成電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩下降較大、不能有效還原保留正弦形永磁體的優(yōu)良性能，因此構(gòu)建一種克服正弦形永磁體加工困難的問題又能更好保留正弦形永磁體優(yōu)良性能的永磁體形狀是十分必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有永磁同步電機(jī)在運(yùn)行過程中永磁材料因振動、高溫以及過載電流等作用產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩和振動噪聲，嚴(yán)重時(shí)還會影響電機(jī)的性能等不足，本發(fā)明提供一種永磁同步電機(jī)的分段式正弦形永磁體優(yōu)化方法，通過改變永磁體形狀而改變永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場，進(jìn)一步改變氣隙中磁場分布。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明提供一種永磁同步電機(jī)的分段式正弦形永磁體優(yōu)化方法，具體包括如下步驟：

4、s1、利用有限元軟件建立標(biāo)準(zhǔn)的表貼式永磁同步電機(jī)模型；

5、s2、將線性插值的數(shù)學(xué)方法應(yīng)用到正弦曲線中，將表貼式永磁體形狀變?yōu)榉侄问秸倚斡来朋w形狀，將表貼式永磁同步電機(jī)模型中永磁體替換為分段式正弦形永磁體，建立分段式正弦形永磁同步電機(jī)模型；

6、s3、將分段式正弦形永磁體的正弦曲線上點(diǎn)的位置作為優(yōu)化變量，永磁同步電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩與電機(jī)額定運(yùn)行狀態(tài)下的振動噪聲作為優(yōu)化目標(biāo)，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型與多目標(biāo)遺傳算法相結(jié)合的方法尋找正弦曲線上點(diǎn)的最佳位置，實(shí)現(xiàn)分段式正弦形永磁體的優(yōu)化。

7、步驟s2中，分段式正弦形永磁體形狀通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：

8、s21、在表貼式永磁同步電機(jī)模型中，將靠近氣隙一側(cè)永磁體的表面形狀由圓弧形變?yōu)檎仪€，通過轉(zhuǎn)子外徑到氣隙的長度、一個(gè)永磁體所占有的機(jī)械角度確定正弦曲線的振幅、角速度、起始點(diǎn)，進(jìn)而確定正弦曲線的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式；

9、s22、利用線性插值的數(shù)學(xué)方法，選擇光滑的四分之一周期上兩個(gè)端點(diǎn)之間的正弦曲線上的點(diǎn)，將四分之一周期正弦曲線的兩個(gè)端點(diǎn)和選擇的點(diǎn)之間用直線依次連接起來來代替光滑的正弦曲線，利用鏡像以及對稱方法做出關(guān)于y軸對稱的另一半永磁體的點(diǎn)與點(diǎn)之間的直線形狀，形成一個(gè)閉合的永磁體形狀，即為分段式正弦形永磁體。

10、步驟s3中分段式正弦形永磁體形狀中曲線上點(diǎn)的位置作為優(yōu)化變量，永磁同步電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩與電機(jī)額定運(yùn)行狀態(tài)下的振動噪聲作為優(yōu)化目標(biāo)包括：

11、s301、永磁同步電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩與永磁體形狀的關(guān)系采用下列公式計(jì)算：

12、

13、其中，tcog為齒槽轉(zhuǎn)矩，z是定子槽的數(shù)量，lfe是定子鐵芯的有效長度，r1是定子軛的半徑，r2是定子的內(nèi)徑，gn是比磁導(dǎo)率的平方的傅里葉分解系數(shù)，是氣隙磁通密度的平方的傅里葉分解系數(shù)，r為電機(jī)轉(zhuǎn)動一周產(chǎn)生的齒槽轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)，p為極對數(shù)，n為正整數(shù)，n＝1,2,3……，α為電角度，μ0為真空磁導(dǎo)率；

14、s302，永磁同步電機(jī)電機(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)下振動噪聲由電機(jī)運(yùn)行時(shí)氣隙諧波磁場相互作用所產(chǎn)生的電磁力波造成，徑向電磁力與永磁體形狀的關(guān)系采用下列公式計(jì)算：

15、

16、其中，pn(θ，t)為徑向電磁力，b2(θ,t)是氣隙磁密度，θ為角度，t為某一時(shí)刻，μ0是真空磁導(dǎo)率。

17、步驟s3中，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型的采樣流程和網(wǎng)絡(luò)模型的形成包括：

18、s303，對分段式正弦形永磁體選擇點(diǎn)的不同數(shù)量進(jìn)行分類，對除去正弦曲線四分之一周期上首尾兩點(diǎn)之外的用于直線連接的點(diǎn)的數(shù)量進(jìn)行分組；使用劃分子區(qū)域采樣與順序采樣結(jié)合的方法對正弦曲線上的點(diǎn)進(jìn)行采樣；

19、s304，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型預(yù)測點(diǎn)的位置與齒槽轉(zhuǎn)矩以及電機(jī)振動噪聲之間的函數(shù)關(guān)系，將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型的預(yù)測值記為y，采樣點(diǎn)所對應(yīng)的實(shí)際值為y′，兩者之間的誤差記為ε，即：

20、

21、步驟s303中，劃分子區(qū)域采樣與順序采樣結(jié)合的方法是將采樣區(qū)域劃分子區(qū)域，在每個(gè)子區(qū)域上固定采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)和點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離，輸出初始的采樣點(diǎn)；根據(jù)正弦曲線上采樣點(diǎn)的不同數(shù)量隨機(jī)組合，并將組合后的點(diǎn)按照坐標(biāo)順序進(jìn)行排列，最后輸出采樣點(diǎn)。

22、用于直線連接的點(diǎn)的數(shù)量包括2、3、4、5、6、7、8個(gè)點(diǎn)這7種情況，其對應(yīng)的采樣點(diǎn)的橫坐標(biāo)分別表示為(x1，x2)、(x1，x2，x3)、(x1，x2，x3，x4)、(x1，x2，x3，x4，x5)、(x1，x2，x3，x4，x5，x6)、(x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7)、(x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8)，對應(yīng)的永磁體分段數(shù)量分別為3、4、5、6、7、8、9段。

23、本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)：

24、1.本發(fā)明提供一種永磁同步電機(jī)的分段式正弦形永磁體優(yōu)化方法，與傳統(tǒng)的表貼式永磁同步電機(jī)相比，可以減小齒槽轉(zhuǎn)矩、降低振動噪聲，有同時(shí)減小了永磁同步電機(jī)中永磁體的用量，提高了永磁體的利用效率。

25、2.本發(fā)明相較于形狀完全為正弦曲線形狀的正弦形永磁體而言，分段式正弦形永磁體是點(diǎn)與點(diǎn)之間直線連接的形式，既解決了正弦形曲線永磁體加工困難、加工成本昂貴的問題，又進(jìn)一步的保留了正弦形永磁體具有減小電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩、降低振動噪聲的效果。

26、3.本發(fā)明使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型與多目標(biāo)遺傳算法相結(jié)合的優(yōu)化算法，對點(diǎn)的最佳位置進(jìn)行尋優(yōu)后，使電機(jī)的性能進(jìn)一步優(yōu)化，經(jīng)過算法優(yōu)化后的永磁同步電機(jī)中的分段式正弦形永磁體與傳統(tǒng)的表貼式永磁同步電機(jī)相比，也能夠有效降低電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩和大部分頻率段下的振動噪聲。

技術(shù)特征：

1.一種永磁同步電機(jī)的分段式正弦形永磁體優(yōu)化方法，其特征在于包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機(jī)的分段式正弦形永磁體優(yōu)化方法，其特征在于步驟s2中，分段式正弦形永磁體形狀通過以下步驟實(shí)現(xiàn)：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機(jī)的分段式正弦形永磁體優(yōu)化方法，其特征在于步驟s3中分段式正弦形永磁體形狀中曲線上點(diǎn)的位置作為優(yōu)化變量，永磁同步電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩與電機(jī)額定運(yùn)行狀態(tài)下的振動噪聲作為優(yōu)化目標(biāo)包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁同步電機(jī)的分段式正弦形永磁體優(yōu)化方法，其特征在于步驟s3中，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型的采樣流程和網(wǎng)絡(luò)模型的形成包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的永磁同步電機(jī)的分段式正弦形永磁體優(yōu)化方法，其特征在于步驟s303中，劃分子區(qū)域采樣與順序采樣結(jié)合的方法是將采樣區(qū)域劃分子區(qū)域，在每個(gè)子區(qū)域上固定采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)和點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離，輸出初始的采樣點(diǎn)；根據(jù)正弦曲線上采樣點(diǎn)的不同數(shù)量隨機(jī)組合，并將組合后的點(diǎn)按照坐標(biāo)順序進(jìn)行排列，最后輸出采樣點(diǎn)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的永磁同步電機(jī)的分段式正弦形永磁體優(yōu)化方法，其特征在于，用于直線連接的點(diǎn)的數(shù)量包括2、3、4、5、6、7、8個(gè)點(diǎn)這7種情況，其對應(yīng)的采樣點(diǎn)的橫坐標(biāo)分別表示為(x1，x2)、(x1，x2，x3)、(x1，x2，x3，x4)、(x1，x2，x3，x4，x5)、(x1，x2，x3，x4，x5，x6)、(x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7)、(x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8)，對應(yīng)的永磁體分段數(shù)量分別為3、4、5、6、7、8、9段。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種永磁同步電機(jī)的分段式正弦形永磁體優(yōu)化方法，利用有限元軟件建立標(biāo)準(zhǔn)的表貼式永磁同步電機(jī)模型；將線性插值的數(shù)學(xué)方法應(yīng)用到正弦曲線中，將表貼式永磁體形狀變?yōu)榉侄问秸倚斡来朋w形狀，將表貼式永磁同步電機(jī)模型中永磁體替換為分段式正弦形永磁體，建立分段式正弦形永磁同步電機(jī)模型；將分段式正弦形永磁體的正弦曲線上點(diǎn)的位置作為優(yōu)化變量，永磁同步電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩與電機(jī)額定運(yùn)行狀態(tài)下的振動噪聲作為優(yōu)化目標(biāo)，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代理模型與多目標(biāo)遺傳算法相結(jié)合的方法尋找正弦曲線上點(diǎn)的最佳位置，實(shí)現(xiàn)分段式正弦形永磁體的優(yōu)化。本發(fā)明減小了齒槽轉(zhuǎn)矩、降低振動噪聲以及永磁同步電機(jī)中永磁體的用量，提高了永磁體的利用效率。

技術(shù)研發(fā)人員：夏斌,王菲,晏冰,任自艷,張艷麗,王振,郭一凝
受保護(hù)的技術(shù)使用者：沈陽工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8