高速永磁無刷直流電機優(yōu)化設(shè)計探討

摘要：近年來，以高速永磁無刷直流電機為主的高速電機設(shè)施逐漸成為電氣技術(shù)與自動化體系的重要設(shè)備，其應(yīng)用遍及航空航天、工業(yè)生產(chǎn)等各個領(lǐng)域。然而，高速永磁無刷直流電機運行期間涉及到的能耗問題比較突出，尤其是鐵耗問題，不利于運行效益的有效提高。本文主要以高速永磁無刷直流電機為研究對象，重點針對高速永磁無刷直流電機的優(yōu)化設(shè)計方法進行研究與分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：高速永磁無刷直流電機;電機損耗;優(yōu)化設(shè)計

0 ?引言

隨著我國可持續(xù)戰(zhàn)略規(guī)劃以及節(jié)能降耗政策的不斷貫徹與落實，國內(nèi)制造行業(yè)正在朝向高效、節(jié)能方向發(fā)展。其中，作為一體化運行設(shè)備代表的高速永磁無刷直流電機憑借自身噪聲低、運行效率高、使用壽命長等優(yōu)勢，逐漸成為電氣自動化設(shè)備體系的重要組成內(nèi)容。然而，從客觀角度上來看，高速永磁無刷直流電機運行期間涉及到的能耗問題較多，如果不加以優(yōu)化處理，勢必就會造成能源浪費問題，不利于高速永磁無刷直流電機的高效使用。針對于此，研究人員應(yīng)該本著節(jié)能設(shè)計、環(huán)保設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，針對高速永磁無刷直流電機現(xiàn)存的耗損問題進行優(yōu)化設(shè)計，以期可以從根本上推動高速永磁無刷直流電機設(shè)備的進一步發(fā)展。

1 ?高速永磁無刷直流電機優(yōu)化設(shè)計現(xiàn)狀及問題研究

根據(jù)近些年發(fā)展情況來看，高速永磁無刷直流電機已經(jīng)在各行業(yè)生產(chǎn)體系中得到了廣泛應(yīng)用。且在新型永磁材料的推廣與應(yīng)用背景下，高速永磁無刷直流電機應(yīng)用體系得到進一步健全與優(yōu)化[1]。目前，高速永磁無刷直流電機應(yīng)用范圍得到明顯拓展，且在性能與作用效果方面得到明顯改善。為滿足行業(yè)生產(chǎn)體系的作業(yè)要求，相關(guān)研究人員還需要針對高速永磁無刷直流電機的應(yīng)用功能進行深入研究，以期可以開發(fā)得出高性能高速永磁無刷直流電機設(shè)備。

但是從客觀角度上來看，高速永磁無刷直流電機在功率密度方面與運行效率方面表現(xiàn)較高，且涉及到的技術(shù)內(nèi)容與材料設(shè)施較多，因此需要研究的方面也比較多。目前，對于多數(shù)研究人員而言，亟待解決的主要問題就是如何降低高速永磁無刷直流電機的鐵芯損耗問題[2]。一般來說，唯有降低高速永磁無刷直流電機的鐵芯損耗問題，才能夠從根本上提高電機運行效率。針對于此，多數(shù)研究人員已經(jīng)廣泛開展對高速永磁無刷直流電機鐵芯損耗問題的研究工作，力求可以通過運用多種優(yōu)化設(shè)計方法降低鐵芯損耗問題。

結(jié)合近些年的研究情況來看，部分研究人員主張通過運用自適應(yīng)交叉率與自適應(yīng)變異率的遺存算法進行優(yōu)化設(shè)計。其中在優(yōu)化設(shè)計過程中，研究人員主張針對電機優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)與約束條件函數(shù)進行合理應(yīng)用，通過明確掌握設(shè)計變量的高度非線性與多極值函數(shù)問題，確定科學(xué)合理的優(yōu)化設(shè)計方案，降低電機內(nèi)部鐵芯損耗問題[3]。

2 ?高速永磁無刷直流電機內(nèi)部損耗分布情況分析

在優(yōu)化設(shè)計高速永磁無刷直流電機之前，我們需要明確并掌握高速永磁無刷直流電機內(nèi)部損耗分布情況。結(jié)合以往的經(jīng)驗來看，高速永磁無刷直流電機內(nèi)部損耗問題主要可以根據(jù)產(chǎn)生部位的不同，將其劃分為鐵芯損耗、繞組損耗、機械損耗三種。根據(jù)圖1數(shù)據(jù)圖可以大致明確高速永磁無刷直流電機內(nèi)部損耗分布與轉(zhuǎn)速之間的變化關(guān)系。

從圖1數(shù)據(jù)圖中可以看出，當(dāng)高速永磁無刷直流電機轉(zhuǎn)速明顯加快時，涉及到的鐵芯損耗問題就愈加明顯。機械損耗與銅耗相對較少。究其原因，主要是因為處于高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，電機內(nèi)部磁場涉及到的交變頻率也會隨著轉(zhuǎn)速的增大而改變。其中，組成鐵耗問題的各類因素都會伴隨著頻率的增加而增加，以鐵芯損耗問題最為明顯。對于機械損耗問題而言，軸承摩擦損耗在很大程度上與轉(zhuǎn)速之間成正比例關(guān)系。

對于銅耗問題而言，一般多與電機電樞內(nèi)部的電流問題、繞組電阻問題相關(guān)，在很大程度上與轉(zhuǎn)速之間并無明顯關(guān)系。且整個轉(zhuǎn)速范圍對于電阻產(chǎn)生的變化相對較少，因此在整體損耗方面表現(xiàn)不高。另外，根據(jù)上述數(shù)據(jù)圖可知，高速永磁無刷直流電機涉及到的鐵耗問題與機械損耗問題相對較多，往往會對電機應(yīng)用性能產(chǎn)生直接影響。因此，在優(yōu)化設(shè)計方面，建議設(shè)計人員應(yīng)該優(yōu)先針對高速永磁無刷直流電機的電機效率為具體優(yōu)化目標(biāo)，嚴格按照電機效率目標(biāo)要求進行部署規(guī)劃，確保設(shè)計效果可以達到預(yù)期。

3 ?高速永磁無刷直流電機優(yōu)化設(shè)計依據(jù)分析

高速永磁無刷直流電機優(yōu)化設(shè)計主要以優(yōu)化理論為基礎(chǔ)理論，通過合理借助計算機邏輯判斷能力與計算能，實現(xiàn)對電機設(shè)計方案的優(yōu)化處理。按照目標(biāo)函數(shù)要求確定最優(yōu)值與解法[4]。結(jié)合以往的經(jīng)驗來看，初始方案設(shè)計過程中需要借助一些設(shè)計參數(shù)，用作成變量處理當(dāng)中。之后，研究人員需要針對上述變量問題進行優(yōu)化處理。

其中，對于高速永磁無刷直流電機而言，在優(yōu)化方法設(shè)置方面還可以利用參數(shù)化分析方法進行變量問題的選取與計算。通過衡量與反復(fù)比較，確定最終的計算結(jié)果。但是在實際設(shè)計過程中，因?qū)δ骋粋€變量進行研究與分析時，其他變量將會被視為固定值，這對于電機優(yōu)化設(shè)計工作往往存在不利影響。針對于此，建議研究人員可以改變傳統(tǒng)算法或者設(shè)計內(nèi)容，降低電機內(nèi)部損耗問題。

4 ?基于改進遺傳算法的高速永磁無刷直流電機優(yōu)化設(shè)計方法研究

4.1 標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法的局限問題

常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法在很大程度上可以視為全局優(yōu)化搜索算法的領(lǐng)域范疇，主要針對全局搜索問題進行研究與分析，但是在局部搜索能力方面表現(xiàn)較差。究其原因，主要是因為遺傳算法在全部進化過程中，對于種群中的個體而言，難以確定合適的常數(shù)型交叉概率、或者是變異概率等。對于部分適應(yīng)程度較高的個體破壞影響就更加明顯，而對于常數(shù)型交叉概率、或者是變異概率較低的個體則無法直接用于全局搜索當(dāng)中。因此，一代代遺傳作用趨勢下，群體中的多樣性功能體現(xiàn)不再那么明顯，在算法前期收斂速度方面也有所下降，無法成功用于高速永磁無刷直流電機優(yōu)化設(shè)計工作當(dāng)中。

4.2 優(yōu)化設(shè)計方法

基于改進遺傳算法的高速永磁無刷直流電機優(yōu)化設(shè)計工作要求研究人員應(yīng)該在相同外形尺寸與供電電壓的條件下，獲取電機最大效率，并借助優(yōu)化程序?qū)崿F(xiàn)對優(yōu)化目標(biāo)最大值的確定過程。其中，所謂的優(yōu)化目標(biāo)最大值主要是針對目標(biāo)函數(shù)全局最大值而言。從客觀角度上來講，遺傳算法在全局搜索能力表現(xiàn)方面較為突出，研究人員只需要運用較少的進化代數(shù)就可以促使當(dāng)前最優(yōu)質(zhì)無限接近于最優(yōu)解。與此同時，研究人員可以利用具備自適應(yīng)功能的遺傳算子遺傳算法，實現(xiàn)對常規(guī)遺傳算法的優(yōu)化改進。

但是需要注意的是，遺傳算法后期應(yīng)用過程中，在搜索效果與速效率方面仍需要進行不斷改進。究其原因，主要是傳統(tǒng)搜索算法在局部搜索能力表現(xiàn)較差。針對于此，建議研究人員可以將遺傳算法與傳統(tǒng)模式搜索法進行有機結(jié)合，形成一種全新的混合遺傳算法方式[5]。一方面，建議研究人員可以運用遺傳算法實現(xiàn)全局搜索過程，在可控時間范圍內(nèi)確定最優(yōu)方案。并利用局部搜索法處理最優(yōu)方案，確定當(dāng)前方案是否可以視為全局最優(yōu)解。這種改進方法不僅可以綜合兩種優(yōu)化算法的應(yīng)用優(yōu)勢，同時還可以規(guī)避兩種優(yōu)化算法的不足，值得推廣與應(yīng)用。

5 ?結(jié)果分析

通過利用優(yōu)化設(shè)計方案，高速永磁無刷直流電機在定子齒部、定子軛部以及轉(zhuǎn)子軛部方面，磁密都有所下降。而鐵耗中的各項損耗問題基本上與磁密大小相關(guān)。因此可以說，減小磁密可以降低電機鐵耗，問題，促進高速永磁無刷直流電機運行效率加快。按照優(yōu)化設(shè)計前后方案，研究人員分別作出樣機處理工作。根據(jù)數(shù)據(jù)明確可以得知，在處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài)時，初始方案樣機與最終方案樣機在損耗方面表現(xiàn)差不多，然而，隨著轉(zhuǎn)速的增大，兩者相差的損耗差值有所增加，尤其接近20000r/min轉(zhuǎn)速時，表現(xiàn)愈加明顯?？傮w來看，基于改進遺傳算法的電機優(yōu)化設(shè)計基本上達到了預(yù)期目標(biāo)，效果比較理想。

6 ?結(jié)論

總而言之，高速永磁無刷直流電機運行過程中涉及到的損耗問題比較明顯，必須從多個方面對其進行優(yōu)化設(shè)計，降低鐵耗、提高運行效率。根據(jù)本文的研究與分析，初步可知通過利用基于改進遺傳算法的優(yōu)化設(shè)計方法，基本上可以實現(xiàn)對高速永磁無刷直流電機運行效率的優(yōu)化處理。

參考文獻：

[1]周鳳爭，孟慶霖，孟崢崢，等.高速永磁無刷直流電機轉(zhuǎn)子優(yōu)化設(shè)計與試驗研究%Optimal Design of Rotor Structure and Experimental Study on High Speed PM BLDC Motors[J].微電機， 2019，052（003）：5-8.

[2]吳元元.高速永磁無刷直流電機電磁場理論以及無位置傳感器技術(shù)的研究[D].南京航空航天大學(xué)，2012.

[3]黃迪西，崔群，房菁.基于有限元分析的永磁無刷直流電動機優(yōu)化設(shè)計[J].微特電機，2012（06）：13-16.

[4]張曉宇，王曉遠.減少齒槽轉(zhuǎn)矩的無刷直流電機優(yōu)化設(shè)計%Optimization of Design to Reduce Cogging Torque in Permanent Magnet Brushless DC Motor[J].微電機，2013，046（001）：24-27，40.

[5]李猷黔.高效率高速永磁無刷直流電動機的設(shè)計[C].天津市電機工程學(xué)會學(xué)術(shù)年會，2012.

基金項目：重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目（KJQN20190011）資助。

作者簡介：劉曉宇（1984-），女，安徽人，講師，博士，研究方向為電機設(shè)計及優(yōu)化。