[发明专利]一种轴向分相磁悬浮开关磁阻飞轮电机的优化设计方法

权利要求书

1.一种轴向分相磁悬浮开关磁阻飞轮电机的优化设计方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

S1、估算轴向分相磁悬浮开关磁阻飞轮电机的结构：转子外径、转子内径、铁芯叠长、悬浮定子外径、转矩定子外径、气隙长度、悬浮定子极弧、转矩定子极弧、转子极弧、定子轭厚、转子轭厚、悬浮定子齿宽、转矩定子齿宽、隔磁环厚度、永磁体外径、永磁体内径、永磁体厚度对应尺寸的初始值为：D_a0,D_i0,l_a0,D_sw0,D_sn0,g₀,β_sw0,β_sn0,β_r0,h_cs0,h_cr0,b_sw0,b_sn0,h_ms,D_pma0,D_pmi0,l_pm0；

S2、基于各所述初始值构建三维有限元电磁计算模型，对所述三维有限元电磁计算模型进行参数敏感度分析，按照敏感度由大到小排序，选取得到关键结构参数；具体包括如下步骤

S21、对所述三维有限元电磁计算模型仿真得到飞轮电机的永磁偏置磁通，以及转矩电流i_m；

S22、以所述三维有限元电磁计算模型中的转子质量仿真得到飞轮电机悬浮力的数值区间，基于所述悬浮力数值区间仿真得到悬浮电流i_α和悬浮电流i_β；

S23、定义飞轮电机的径向悬浮力为F，电磁转矩为T，电磁转矩的脉动为K_T，平均悬浮力为F_avg，平均转矩为T_avg，电机铁心硅钢片体积为V，铜耗为P，并按照公式定义飞轮电机性能指标：转矩效率TP、悬浮效率FP、转矩功率密度TV以及悬浮功率密度FV；

S24、建立参数敏感度分析对应的性能指标函数：根据飞轮系统对电机悬浮支撑、驱动转矩以及功率和效率的要求，选取飞轮电机的性能指标平均悬浮力为F_avg、平均转矩为T_avg、转矩效率TP、悬浮效率FP、转矩功率密度TV和悬浮功率密度FV、电磁转矩脉动K_T，并设计权重因子ω_F,ω_T,ω_K,ω_FP,ω_TP,ω_FV,ω_TV，以此构建参数敏感度分析性能指标函数：式中，F_b、T_b、FP_b、TP_b、FV_b、TV_b、K_T为平均悬浮力为F_avg、平均转矩为T_avg、转矩效率TP、悬浮效率FP、转矩功率密度TV和悬浮功率密度FV、电磁转矩脉动K_T各项的基值，平均悬浮力为F_avg、平均转矩为T_avg、转矩效率TP、悬浮效率FP、转矩功率密度TV和悬浮功率密度FV、电磁转矩脉动K_T各项的权值，且满足ω_F+ω_T+ω_FP+ω_TP+ω_FV+ω_TV+ω_K＝1；

S25、在飞轮电机铁心叠长、转子外径不变的情况下，施加由悬浮电流i_α、悬浮电流i_β以及转矩电流i_m构成的励磁电流(i_m,i_α,i_β)至所述三维有限元电磁计算模型中的绕组上，并采用单变量有限元分析方法获得性能指标函数随其所述步骤S23中所有参数变化的规律，并采用单变量有限元分析方法选取对步骤S23中所述性能指标影响明显的结构参数作为所述关键结构参数；

S3、以所述关键结构参数输入所述三维有限元电磁计算模型得到电机性能指标对应的输出变量，由所述关键结构参数和输出变量构成样本数据集；步骤S3中还包括：

S31、将步骤S25得到的关键结构参数数值作为所述三维有限元电磁计算模型的输入量并得到相对应的所述输出变量及关键结构参数数值对应的性能指标函数值f_opt集合得到样本数据集(x₁,x₂,…,x_n,f_opt)；

S4、以所述关键结构参数作为待优化结构参数构建统一的优化目标函数，并采用核极限学习机算法训练所述样本数据集构建与所述优化目标函数对应的优化模型；

S5、以所述待优化结构参数作为所述优化模型的输入，采用权重惯性调整的粒子群算法进行全局寻优得到所述关键结构参数的优化值，并以所述优化值作为对应飞轮电机结构的最终参数，完成对电机的优化操作。