[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

说明书

本发明公开了一种轴向分相磁悬浮开关磁阻飞轮电机的优化设计方法，包括步骤：估算轴向分相磁悬浮开关磁阻飞轮电机结构参数初始值；基于初始值构建三维有限元电磁计算模型后进行敏感度分析选取得到关键结构参数；以关键结构参数输入三维有限元电磁计算模块得到电机性能指标对应的输出变量构成样本数据集；以关键结构参数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样本数据集构建与优化目标函数对应的优化模型；以待优化结构参数作为优化模型的输入，采用权重惯性调整的粒子群算法进行全局寻优得到关键结构参数的优化值，完成对电机的优化操作；本发明实现了轴向分相磁悬浮开关磁阻飞轮电机多目标协同优化的目的。

技术领域

本发明属于磁悬浮电机技术领域，具体为一种轴向分相磁悬浮开关磁阻飞轮电机的优化设计方法。

背景技术

随着新能源发电、分布式电源系统、混合动力车辆和航空航天等领域的发展，储能技术已成为世界性的研究课题。飞轮储能以储能密度大、瞬时功率大、功率密度高，充放电速度快、能量转换效率高、使用寿命长、清洁无污染等优点受到国内外的高度重视。电机是飞轮储能系统中机电能量转换的核心装置，直接影响并决定整个飞轮系统的性能。磁悬浮开关磁阻电机，充分保留开关磁阻电机优良特性，同时通过自身悬浮力的主动控制，进一步改善电机高速性能与运行效率。将其引入飞轮储能，可大幅减小系统损耗与体积，提高悬浮性能、临界转速与功率密度，这使其在飞轮储能领域的潜在工程应用价值尤为突出，近年来得到了日本、美国、德国、韩国及国内学者的广泛关注。

传统磁悬浮开关磁阻电机多采用径向分相结构，单台电机只能实现两自由度支承，且电机绕组-磁路-电磁力均存在复杂的电磁强耦合关系，分析与控制难度大。为此，发明专利201610864124.3发明了一种轴向分相内定子永磁偏置轴向分相磁悬浮飞轮电机，该电机采用轴向分相设计，定子极分设悬浮极、主磁极以及隔磁环，从结构上实现四自由度悬浮且悬浮磁路和转矩磁路的解耦。但是该电机采用轴向分相结构，且定子上存在宽齿和窄齿两种不同类型的磁极，这使得现有磁悬浮开关磁阻电机设计方法与尺寸模型无法适用。另外，有限元法在电机设计阶段，特别是电机优化设计阶段，需要不断调整电机结构参数以搜索最优解，而每当电机结构尺寸改变，就要对电机重新剖分，前处理工作量大，效率低。另外，该电机用于飞轮储能中，其工作模式多变且运行工况复杂，导致其参数设计是一个多目标、多约束、强非线性等复杂问题，现有的建立在类比法、经验公式以及有限元基础上的设计方法使得飞轮储能系统难以获得最优的综合性能。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术中电机运行繁杂、无法保证飞轮储能获取最优综合性能的问题，提供一种轴向分相磁悬浮开关磁阻飞轮电机的优化设计方法，该方法利用核极限学习机算法构优化目标函数,实现了小样本数据的快速、准确建模，提高了优化模型的精度和速度；利用多目标寻优算法进行参数设计，实现轴向分相磁悬浮开关磁阻飞轮电机转矩效率、悬浮效率、转矩功率密度、悬浮功率密度等多目标优化，具体技术方案如下：

一种轴向分相磁悬浮开关磁阻飞轮电机的优化设计方法，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；