杜 懌, 尹 雯
(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)
直線電動(dòng)機(jī)無(wú)需機(jī)械傳動(dòng)部件即可直接提供直線推力,故采用直線電動(dòng)機(jī)的直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)[1-3].文獻(xiàn)[4]提出了一種新型雙邊初級(jí)永磁型游標(biāo)直線(double-sided linear primary permanent magnet vernier, DSLPPMV)電動(dòng)機(jī),該電動(dòng)機(jī)電樞繞組和永磁體均位于短初級(jí)上,而次級(jí)僅為設(shè)有凸極的鐵心,且基于磁場(chǎng)調(diào)制原理運(yùn)行,因此該電動(dòng)機(jī)不僅具有次級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械強(qiáng)度高、便于永磁體冷卻等優(yōu)勢(shì),還具備低速、大推力等優(yōu)點(diǎn),適合諸如電梯驅(qū)動(dòng)等長(zhǎng)行程工況.此外,與傳統(tǒng)的單邊初級(jí)永磁游標(biāo)直線電動(dòng)機(jī)[5]相比,DSLPPMV電動(dòng)機(jī)初級(jí)無(wú)軛部鐵心,降低了電動(dòng)機(jī)初級(jí)的質(zhì)量,從而可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,且降低電動(dòng)機(jī)制造成本.采用雙側(cè)平板式結(jié)構(gòu),可以抵消初級(jí)單邊磁拉力,降低對(duì)滑軌的要求,其模塊化結(jié)構(gòu)也可以提供高容錯(cuò)能力.
基于有限元的逐點(diǎn)掃描,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的高精度優(yōu)化,但該方法存在計(jì)算量龐大、數(shù)據(jù)處理困難、耗時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題,而這些問(wèn)題將隨著電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的增加而更為凸出.響應(yīng)面法(response surface method, RSM)是一種統(tǒng)計(jì)和數(shù)學(xué)技術(shù),用于尋找所研究物理系統(tǒng)的最佳擬合響應(yīng)[6-8].近年來(lái),將其與有限元等數(shù)值模擬方法相結(jié)合,已被公認(rèn)為是電氣工程研究的一種有效方法.在RSM中,通常建立擬合回歸模型來(lái)表示優(yōu)化目標(biāo)與設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系.在該模型中,所研究的優(yōu)化目標(biāo)是設(shè)計(jì)變量所表示的函數(shù).這與單純使用有限元法相比,設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程都更容易,省時(shí)省力.因此選擇采用RSM方法對(duì)DSLPPMV電動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以滿足大推力、高效率的設(shè)計(jì)要求.
針對(duì)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì),筆者分析電動(dòng)機(jī)本身以及產(chǎn)品需求,選取幾個(gè)優(yōu)化目標(biāo),對(duì)電動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行分析,并結(jié)合綜合敏感度計(jì)算以確定優(yōu)化參數(shù).結(jié)合有限元仿真法以及響應(yīng)面法對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)以驗(yàn)證該優(yōu)化方法的有效性.
6/2極DSLPPMV電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示.
圖1 DSLPPMV電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
電動(dòng)機(jī)采用雙側(cè)平板結(jié)構(gòu),為典型的短初級(jí)長(zhǎng)次級(jí)結(jié)構(gòu),電樞繞組和永磁體都位于短初級(jí)上,次級(jí)僅由帶有凸極齒的硅鋼片疊壓而成.
初級(jí)齒為I型,均勻分散排列,形成初級(jí)部分的齒槽結(jié)構(gòu).永磁體貼裝于初級(jí)齒表面,每個(gè)初級(jí)齒同一豎直方向的永磁體充磁方向相同,同一初級(jí)齒上相鄰永磁體的充磁方向相反.電樞繞組安裝于半閉口槽內(nèi).電動(dòng)機(jī)次級(jí)包括次級(jí)軛部和次級(jí)凸極,上下兩側(cè)的次級(jí)為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),電動(dòng)機(jī)初級(jí)和上下兩側(cè)的電動(dòng)機(jī)次級(jí)之間均設(shè)有氣隙.電動(dòng)機(jī)內(nèi)的磁場(chǎng)通過(guò)電動(dòng)機(jī)初級(jí)和電動(dòng)機(jī)上下兩個(gè)次級(jí)形成串聯(lián)閉合回路.
DSLPPMV電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上下對(duì)稱,因此可基于半模型對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行計(jì)算與分析,以減少分析和計(jì)算的復(fù)雜度.首先采用等效磁路法及磁場(chǎng)調(diào)制原理[9-10]對(duì)電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通密度進(jìn)行推導(dǎo),以說(shuō)明其運(yùn)行原理.為了簡(jiǎn)化推導(dǎo)過(guò)程,假設(shè)如下:① 忽略漏磁;② 永磁體相對(duì)磁導(dǎo)率為1;③ 磁場(chǎng)僅在y方向變化;④ 鐵心磁導(dǎo)率為無(wú)窮大.
由于NdFeB第二象限的退磁曲線近似為1條直線[4],因此,永磁體可以等效成1個(gè)恒磁動(dòng)勢(shì)源FPM和1個(gè)恒定內(nèi)磁導(dǎo)ΛPM串聯(lián)的磁動(dòng)勢(shì)源,由以上4點(diǎn)假設(shè),可以得到等效磁路模型.與此同時(shí),次級(jí)磁導(dǎo)模型的傅里葉級(jí)數(shù)分解為
(1)
式中:Λ0為磁導(dǎo)中的直流分量;Λi為傅里葉系數(shù);Ns為有效次級(jí)齒數(shù);La為電動(dòng)機(jī)初級(jí)長(zhǎng)度;x為氣隙位置;x0為次級(jí)初始位置.
此外,永磁體產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)FPM也可以使用傅里葉級(jí)數(shù)的形式表示為
(2)
式中:j=1,3,…,2n-1;Br為永磁體剩磁;hPM為永磁體厚度;μ0為真空磁導(dǎo)率;pPM為永磁磁場(chǎng)極對(duì)數(shù);vc為初級(jí)運(yùn)動(dòng)速度.
僅考慮式(1)和式(2)的直流以及基波分量,DSLPPMV電動(dòng)機(jī)的空載氣隙磁密為
(3)
通過(guò)式(3)可以發(fā)現(xiàn),空載氣隙磁密Bag由3部分組成:第1部分由永磁體直接產(chǎn)生,由于電樞繞組和永磁體均位于初級(jí),因此永磁體與電樞繞組的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為0,所以氣隙磁密的第1部分分量無(wú)法在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì);第2、3部分氣隙磁密分量均由初級(jí)永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)經(jīng)由次級(jí)齒調(diào)制產(chǎn)生,因此,這2部分分量均與電樞繞組相對(duì)運(yùn)動(dòng),故都能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有效的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換.然而因第3部分的磁密運(yùn)行速度快且波長(zhǎng)長(zhǎng),因此可選其作為電動(dòng)機(jī)的有效諧波分量.由式(3)分析可知,有效諧波磁通極對(duì)數(shù)pflux和運(yùn)行速度vflux的關(guān)系滿足:
pflux=|pPM-Ns|,
(4)
(5)
式中:Gr為有效諧波磁場(chǎng)速度和初級(jí)速度之比.
以電梯直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為研究背景,即將DSLPPMV電動(dòng)機(jī)動(dòng)子直接安裝于電梯轎廂,并驅(qū)動(dòng)轎廂沿井道上下運(yùn)動(dòng),因此,大推力特性是確保電梯的提升能力和上升加速度的首要特性.由于直線游標(biāo)電動(dòng)機(jī)本身推力脈動(dòng)就比一般電動(dòng)機(jī)小,而該直線電動(dòng)機(jī)又呈對(duì)稱結(jié)構(gòu),因此DSLPPMV電動(dòng)機(jī)比傳統(tǒng)單邊直線游標(biāo)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)具有更小的推力脈動(dòng),其數(shù)值幾乎可以忽略不計(jì).因此,可以只選擇電動(dòng)機(jī)平均推力作為優(yōu)化目標(biāo)之一.
此外,高效率、低成本一直是電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo).電動(dòng)機(jī)的損耗主要包括由電樞繞組引起的銅耗、由硅鋼片引起的鐵耗、由永磁體引起的渦流損耗和由摩擦引起的機(jī)械損耗以及附加損耗.其中,鐵耗是由電動(dòng)機(jī)鐵心中磁場(chǎng)的不斷變化而產(chǎn)生,受磁齒輪效應(yīng)的影響,游標(biāo)電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)的諧波含量往往十分豐富,導(dǎo)致鐵耗在游標(biāo)電動(dòng)機(jī)的總損耗中所占比例較大,降低鐵耗是有效改善游標(biāo)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率的有效手段之一,所以選擇鐵耗作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的第2個(gè)目標(biāo).
通過(guò)上述分析最終確定了2個(gè)優(yōu)化目標(biāo),即平均推力和鐵耗.
一般來(lái)說(shuō),電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)性能均有著顯著影響,且不同參數(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)性能有不同的影響[11-14].當(dāng)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),相應(yīng)的優(yōu)化過(guò)程將會(huì)發(fā)展成1個(gè)高維問(wèn)題.為了提高優(yōu)化效率,在優(yōu)化過(guò)程中引入了敏感度分析法,對(duì)各個(gè)尺寸參數(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)各性能的影響程度進(jìn)行評(píng)價(jià),并按照不同影響程度將各尺寸參數(shù)劃分為具有不同敏感等級(jí)的參數(shù)組.優(yōu)化過(guò)程中,可僅對(duì)敏感度較高的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,而保留敏感度指數(shù)很低參數(shù)的原始值,以有效降低電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的維度,減少設(shè)計(jì)復(fù)雜度.為實(shí)施上述優(yōu)化設(shè)計(jì),首先對(duì)DSLPPMV電動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行定義,如圖2所示,其中: 初級(jí)總高度hc=76.00 mm;電動(dòng)機(jī)總高度ha=198.00 mm;電動(dòng)機(jī)有效長(zhǎng)度La=680.00 mm;疊片長(zhǎng)度Lz=200.00 mm;氣隙長(zhǎng)度g=3.00 mm;hPM=4.00 mm;永磁體寬度wm=18.00 mm;動(dòng)子鐵心間距wa=13.33 mm;槽高h(yuǎn)b=25.00 mm;槽寬ws=38.00 mm;次級(jí)齒高h(yuǎn)t=20.00 mm;次級(jí)軛高h(yuǎn)e=38.00 mm;次級(jí)極距τ=40.00 mm;齒寬Lt=齒根寬Lb=12.00 mm;槽滿率sf=0.644.值得一提的是,考慮到次級(jí)齒根寬Lb對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的影響較小,為簡(jiǎn)化優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程,所以取Lt=Lb.
圖2 電動(dòng)機(jī)尺寸參數(shù)定義
由文獻(xiàn)[15]可知,推力密度為
(6)
式中:B和J分別為電動(dòng)機(jī)的磁負(fù)荷和電負(fù)荷;m為諧波次數(shù).
由式(6)可以看出,電動(dòng)機(jī)的推力與磁負(fù)荷和電負(fù)荷成正比,而電負(fù)荷與電樞電流成正比,所以電樞電流的改變對(duì)推力的影響巨大.通過(guò)改變初級(jí)齒高(同時(shí)改變槽高)可改變電樞的安匝數(shù)大小,此時(shí)推力也會(huì)隨之變化.因此初級(jí)齒高(槽高)需要作為參數(shù)來(lái)優(yōu)化.
根據(jù)上述分析以及傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),選擇5個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù),分別是初級(jí)齒高h(yuǎn)b、永磁體厚度hPM、永磁體寬度wm、次級(jí)齒高h(yuǎn)t、次級(jí)齒寬Lt,其他參數(shù)則保持不變.將選定的結(jié)構(gòu)參數(shù)做敏感度分析,如圖3所示.
圖3 參數(shù)敏感度指數(shù)圖
從圖3可以看出,單個(gè)參數(shù)對(duì)各目標(biāo)影響程度各不相同,很難從全局的角度評(píng)價(jià)它們的影響.為了解決這一問(wèn)題,也為了減少計(jì)算時(shí)間和保證較高的分析精度,因此選擇采用計(jì)算綜合敏感度指數(shù)來(lái)決定敏感參數(shù)分組.相應(yīng)的靈敏度函數(shù)為
S(xi)=λ1HF(xi)+λ2Hloss(xi),
(7)
式中:λ1和λ2分別為推力和鐵耗的權(quán)重系數(shù),且λ1、λ2滿足方程λ1+λ2=1;HF(xi)和Hloss(xi)分別為推力和鐵耗的敏感度指標(biāo)的值.
表1 敏感度分析
為了提高優(yōu)化效率,基于表1中列出的綜合敏感度結(jié)果,參數(shù)可以分為2個(gè)級(jí)別,如表2所示.當(dāng)|S(xi)|的值小于給定的閾值δ(取δ=0.1)時(shí),認(rèn)為是極其不敏感參數(shù),可不予以優(yōu)化;當(dāng)|S(xi)|不小于閾值δ時(shí),則認(rèn)為是敏感參數(shù),應(yīng)著重優(yōu)化.
表2 參數(shù)的敏感度等級(jí)
利用RSM建立適當(dāng)?shù)耐屏蛽p耗響應(yīng)面模型時(shí),通常采用二次近似模型來(lái)構(gòu)造擬合響應(yīng)面.響應(yīng)面模型可以寫(xiě)成:
(8)
式中:Y為期望性能的RSM預(yù)測(cè)值;β0、βi、βii、βij為設(shè)計(jì)參數(shù)x(xi,xj)的回歸系數(shù);k為設(shè)計(jì)參數(shù)的數(shù)目;ε為隨機(jī)誤差,也稱為統(tǒng)計(jì)誤差.
從第2節(jié)的敏感度分析結(jié)果,可選定wm、Lt和hb這3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù),由于永磁體、次級(jí)齒和初級(jí)齒都是呈對(duì)稱結(jié)構(gòu),為了方便優(yōu)化,以上述3個(gè)參數(shù)的1/2進(jìn)行建模,即wm/2、Lt/2和hb/2.因此,在RSM中,wm1=wm/2、Lt1=Lt/2和hb1=hb/2是3個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù).
采用當(dāng)前流行的中心組合設(shè)計(jì)(central compo-site design, CCD)來(lái)構(gòu)造采樣點(diǎn).CCD由3部分組成:① 立方體點(diǎn),其中因子水平被編碼成-1和1;② 從中心點(diǎn)到距離為a的軸點(diǎn);③ 1個(gè)設(shè)計(jì)中心點(diǎn)[16].各變量范圍實(shí)際值的標(biāo)準(zhǔn)化值如表3所示,其中a=1.682.根據(jù)DSLPPMV電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和3個(gè)高敏感度尺寸參數(shù)的設(shè)計(jì)范圍,可以得到20個(gè)獨(dú)立的RSM參數(shù)組合.
表3 各變量范圍實(shí)際值的標(biāo)準(zhǔn)化值 mm
然后,建立上述20個(gè)參數(shù)組合相對(duì)應(yīng)DSLPPMV電動(dòng)機(jī)有限元模型,并進(jìn)行求解,得出每個(gè)模型下的平均推力以及鐵耗.根據(jù)CCD設(shè)計(jì)對(duì)模型設(shè)計(jì)變量的實(shí)際值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,設(shè)計(jì)變量實(shí)際值和編碼值如表3所示.在每次試驗(yàn)中使用有限元法仿真出平均推力以及鐵耗,結(jié)果如表4所示.
關(guān)系表示概念之間的相互聯(lián)系,是從概念的外延方面來(lái)明確概念的。通過(guò)關(guān)系的作用,可以體現(xiàn)出概念由具體到抽象,由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展過(guò)程,關(guān)系是概念之間的靜態(tài)關(guān)聯(lián)。概念網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了三種關(guān)系:父子關(guān)系、成員關(guān)系和概念場(chǎng)。父子關(guān)系就是邏輯學(xué)中概念的屬種關(guān)系,即類與子類、類與分子的關(guān)系。種概念具有屬概念的本質(zhì)屬性。因此,屬概念與種概念之間具有相似性,正如父與子具有相似性一樣。屬概念是上位概念,種概念是下位概念,并且屬種關(guān)系具有傳遞性。屬種關(guān)系是一般與個(gè)別的關(guān)系。例如,動(dòng)物,鳥(niǎo),布谷鳥(niǎo)。布谷鳥(niǎo)具有鳥(niǎo)的本質(zhì)屬性,鳥(niǎo)具有動(dòng)物的本質(zhì)屬性。
表4 CCD設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果
利用20個(gè)獨(dú)立模型的仿真結(jié)果和實(shí)際設(shè)計(jì)變量標(biāo)準(zhǔn)化后的編碼值,擬合的推力以及鐵耗的二階回歸模型為
F=-4 863.7+854.9wm1+97.572Lt1+346.82hb1-
(9)
loss=2.174 5+7.398 4wm1+2.700 72Lt1-
(10)
(11)
(12)
式(9)和(10)顯示了電動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)推力以及鐵耗的影響,具有表現(xiàn)形式直觀和擬合精度高的優(yōu)點(diǎn),并能為電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中優(yōu)化目標(biāo)的邊界確定等工作提供極大的便利,因此,可以較容易地基于該模型進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化.由回歸模型可知,在wm1=8.16 mm,Lt1=2.64 mm,hb1=15.86 mm,即wm=16.32 mm,Lt=5.28 mm,hb=31.72 mm時(shí)得到1個(gè)最優(yōu)點(diǎn).由回歸模型(9)和(10)得到的推力為2 958.33 N,鐵耗為79.74 W.該參數(shù)下的推力不是最大,鐵耗也不是最小,但卻是在綜合考慮到推力和鐵耗這2個(gè)優(yōu)化目標(biāo)之間的平衡后,折中選擇一個(gè)最優(yōu)點(diǎn),即最合理的設(shè)計(jì)方案之一.相比于原始參數(shù)時(shí)推力2 264.32 N和鐵損76.51 W,推力增加了30.65%,鐵損增加了4.22%.
DSLPPMV電動(dòng)機(jī)樣機(jī)實(shí)物圖如圖4所示,樣機(jī)主要包括支架,初級(jí)模塊以及次級(jí)模塊3部分組成,并通過(guò)在次級(jí)底板上安裝的磁柵尺實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)動(dòng)子位置的測(cè)量.
圖4 DSLPPMV電動(dòng)機(jī)樣機(jī)
空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)實(shí)測(cè)和仿真波形如圖5所示.圖5a為DSLPPMV電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度為0.74 m·s-1時(shí)的實(shí)測(cè)空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形,峰值為67.5 V,為仿真值的96.0%,這是由于二維仿真中忽略了端部漏磁和加工誤差等原因所致.
圖5 三相空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)實(shí)測(cè)和仿真波形
為驗(yàn)證DSLPPMV電動(dòng)機(jī)推力特性,對(duì)該電動(dòng)機(jī)的靜態(tài)推力進(jìn)行了測(cè)試,即將動(dòng)子通過(guò)拉壓力傳感器固定于某一位置,通過(guò)通入相應(yīng)電流測(cè)量此位置時(shí)的電磁推力.由于該電動(dòng)機(jī)的三相電感幾乎不隨動(dòng)子位置發(fā)生變化[4],因此采用id=0控制策略,即通入q軸電流.如圖6所示,當(dāng)電流比較小時(shí),仿真值與實(shí)測(cè)值基本一致,且q軸電流與靜態(tài)推力基本成正比.當(dāng)電流大于9 A時(shí),實(shí)測(cè)值逐漸小于仿真值.這是由于隨著電流的不斷增加,電動(dòng)機(jī)推力也隨之變大,使固定電動(dòng)機(jī)動(dòng)子的機(jī)械裝置產(chǎn)生較大形變,從而導(dǎo)致動(dòng)子位置與所施加電流的相位不符.當(dāng)施加20 A電樞電流時(shí),DSLPPMV電動(dòng)機(jī)推力實(shí)測(cè)值為2 720 N,約為理論值的91.94%,驗(yàn)證了理論分析的有效性.
圖6 推力隨電流大小的變化
1)選擇將有限元仿真法和響應(yīng)面法相結(jié)合,來(lái)簡(jiǎn)化優(yōu)化過(guò)程,以提高優(yōu)化效率和優(yōu)化精度.
2)以推力和鐵耗為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)DSLPPMV電動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),多目標(biāo)同時(shí)優(yōu)化對(duì)比原始的單目標(biāo)分別優(yōu)化可使優(yōu)化后的電動(dòng)機(jī)性能更優(yōu).
3)推力和鐵耗的精確回歸模型驗(yàn)證了該優(yōu)化方法在DSLPPMV電動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)中的有效性.
4)對(duì)DSLPPMV電動(dòng)機(jī)的樣機(jī)進(jìn)行了空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及靜態(tài)推力試驗(yàn).可以發(fā)現(xiàn),實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果較接近,驗(yàn)證了電磁性能計(jì)算的可靠性.