開關(guān)磁阻電機(jī)設(shè)計(jì)及多目標(biāo)優(yōu)化方法的研究

盧慶收 王蕾 薛姣 劉輝

摘 要：文章首先討論的內(nèi)容為開關(guān)磁阻電機(jī)的初始設(shè)計(jì)，具體包括尺寸計(jì)算、控制參數(shù)計(jì)算等，然后又對(duì)關(guān)鍵尺寸的敏感性進(jìn)行了分析，最后通過理論與實(shí)際相結(jié)合的方式，圍繞著遺傳算法的優(yōu)化及應(yīng)用展開討論，以期能夠在某些方面給相關(guān)人員以啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機(jī)；多目標(biāo)優(yōu)化；設(shè)計(jì)方法

開關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在控制靈活，成本地，調(diào)速范圍較寬等方面，正是因?yàn)槿绱耍琒RM被應(yīng)用在了包括風(fēng)力發(fā)電和電動(dòng)汽車在內(nèi)的諸多領(lǐng)域，并取得了一定的效果。但是運(yùn)行效率低、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)顯著等問題的存在，使得SRM無(wú)法充分發(fā)揮應(yīng)有的作用，如何通過多目標(biāo)優(yōu)化的方式突破現(xiàn)有瓶頸，提高SRM的應(yīng)用效率，自然成為了有關(guān)人員研究的重點(diǎn)，本文所研究?jī)?nèi)容具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 開關(guān)磁阻電機(jī)的初始設(shè)計(jì)

1.1 具體尺寸計(jì)算

能夠?qū)﹄姍C(jī)尺寸與輸出功率關(guān)系進(jìn)行揭示的SRM輸出方程如下：

能夠?qū)﹄姍C(jī)性能、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)產(chǎn)生直接影響的因素為λ，若λ值較小，電機(jī)細(xì)長(zhǎng)，無(wú)論是啟動(dòng)還是調(diào)速都更加便捷，但通風(fēng)條件較差；若λ值較大，電機(jī)粗短，此時(shí)電機(jī)特點(diǎn)與λ值較小相反。

1.2 控制參數(shù)計(jì)算

核算設(shè)計(jì)電機(jī)性能時(shí)，較為常見的方法為角度位置控制。以額定轉(zhuǎn)速為前提，對(duì)開通角進(jìn)行預(yù)取：

2 對(duì)關(guān)鍵尺寸的敏感性進(jìn)行分析

由于開關(guān)磁阻電機(jī)具有多個(gè)尺寸，和電機(jī)性能存在著較為復(fù)雜的關(guān)系，僅僅通過尺寸調(diào)整想要達(dá)到性能優(yōu)化的目標(biāo)難度較高。本文以不同尺寸參數(shù)具有的敏感性為基礎(chǔ)，通過對(duì)其進(jìn)行分析的方式得出不同尺寸參數(shù)與電機(jī)功率、效率間的關(guān)系，為后續(xù)圍繞著性能優(yōu)化開展的相關(guān)工作提供參考[1]。以電機(jī)尺寸不變?yōu)榍疤幔ㄟ^實(shí)踐確定能夠給電機(jī)效率帶來直接影響的因素主要有定子軛高和轉(zhuǎn)子外徑，下面就以這兩個(gè)因素為切入點(diǎn)，分別展開討論。

2.1 定子軛高

效率和定子軛高成正相關(guān)關(guān)系，也就是說，如果定子軛高增加，效率必然會(huì)有所提高。本文所討論電機(jī)具有高轉(zhuǎn)速和大功率的特點(diǎn)，而通過分析可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)損耗主要由定子鐵耗和轉(zhuǎn)子鐵耗構(gòu)成，其中占據(jù)較大比重的為定子鐵耗。基于此，隨著定子軛高的逐漸增加，鐵耗往往會(huì)呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，此時(shí)，電機(jī)輸出功率與之前相比也有所增加，電機(jī)效率自然明顯提升。

2.2 轉(zhuǎn)子外徑

效率和轉(zhuǎn)子外徑同樣成正相關(guān)關(guān)系，如果想要提高效率，增加轉(zhuǎn)子外徑是很有必要的，由于銅耗和鐵耗同時(shí)下降，總功率損耗可以忽略不計(jì)，但是隨著轉(zhuǎn)子極高的逐漸提高，電感變化率也會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，輸出功率變大和效率提高是必然結(jié)果。

除此之外，圍繞著敏感性所展開的分析還表明，能夠?qū)﹄姍C(jī)效率、輸出功率產(chǎn)生直接影響的定轉(zhuǎn)子極弧，還存在對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)產(chǎn)生影響的可能。

3 遺傳算法的優(yōu)化及應(yīng)用

作為多參數(shù)、多目標(biāo)問題，對(duì)SRM優(yōu)化算法進(jìn)行選取和完善具有十分重要的意義。從實(shí)質(zhì)上來說，優(yōu)化算法由兩部分組成，分別是隨機(jī)性算法以及確定性算法。隨機(jī)性算法指的是隨機(jī)在設(shè)計(jì)空間內(nèi)進(jìn)行搜索；確定性算法指的是以梯度信息為依據(jù)，按照特定方向完成尋優(yōu)搜索的工作。需要注意的是，這兩種優(yōu)化算法均具有相應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)和不足，在實(shí)際應(yīng)用過程中，人們應(yīng)結(jié)合具體要求對(duì)優(yōu)化算法進(jìn)行選擇。隨機(jī)性算法無(wú)需梯度計(jì)算這一步驟，且能夠確定全局最優(yōu)解，但是與確定性算法相比收斂速度要更慢；確定性算法雖然能夠在平滑設(shè)計(jì)空間內(nèi)完成高效尋優(yōu)，但導(dǎo)數(shù)計(jì)算常與該法配合應(yīng)用，對(duì)復(fù)雜程度較高的設(shè)計(jì)空間而言，應(yīng)用確定性算法較易出現(xiàn)局部最優(yōu)的問題[2]。本文最終選擇將遺傳算法應(yīng)用在開關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，作為啟發(fā)性算法的一種，遺傳算法能夠通過對(duì)自然進(jìn)化過程進(jìn)行模擬的方式，搜索問題并確定最優(yōu)解。實(shí)踐結(jié)果表明，與其他算法相比，遺傳算法的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下方面：首先是過程簡(jiǎn)單，其次是并行程度高，最后是可擴(kuò)展性和搜索能力較強(qiáng)。但是該算法的不足也是十分明顯的，例如早熟問題的出現(xiàn)、收斂速度較慢等，基于此，本文將模擬退火和遺傳算法進(jìn)行了結(jié)合，通過對(duì)模擬退火因子的合理應(yīng)用，拉伸適應(yīng)度函數(shù)，增大相似個(gè)體之間存在的差異。保證所選擇初始退火溫度的科學(xué)性與合理性，不僅可以避免早熟情況的出現(xiàn)，還能夠縮短遺傳算法在收斂時(shí)需要花費(fèi)的時(shí)間。

4 結(jié)論

通過對(duì)上文所敘述的內(nèi)容進(jìn)行分析能夠看出，由于SRM設(shè)計(jì)對(duì)傳統(tǒng)方法過于依賴，不僅對(duì)專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)具有較高的要求，還無(wú)法保證獲得全局最優(yōu)解，文中通過對(duì)遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)的方式，使電機(jī)性能得到了應(yīng)有的優(yōu)化。實(shí)踐結(jié)果表明，應(yīng)用該算法對(duì)SRM多目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，不僅可以在短時(shí)間內(nèi)確定全局最優(yōu)解，還能夠使得電機(jī)效率得到大幅度提高，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)自然也會(huì)隨之減小。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫玉坤，袁野，黃永紅，胡文宏，項(xiàng)倩雯，周云紅.磁懸浮開關(guān)磁阻電機(jī)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2016，20（11）：32-39.

[2]宋受俊，葛樂飛，蔣艷玲.基于文化粒子群算法的開關(guān)磁阻電機(jī)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，32（01）：111-117.