[发明专利]一种基于代理模型的感应电机外特性优化方法

说明书

本发明从电机内部电磁耦合机理角度出发，对异步电机的外特性进行优化，根据等效电路分析了电机外特性(基速和最大输出功率)的影响因素，选择Bs₀、Hs₀、Hs₂、Bs₁及Bs₂为设计变量，同时考虑到电机外特性与设计变量之间复杂的机理关系，利用响应面法建立目标函数与设计变量之间的代理模型，实现机理关系的近似表达，最后利用ToP多目标优化算法对优化模型进行参数优化。

技术领域

本发明涉及异步电机外特性优化领域，具体涉及异步电机电磁- 结构耦合的分析及优化。

背景技术

异步交流电机因其结构简单、可靠性高、成本低、弱磁易控制、加速性能、高速性能显著等优势在纯电动汽车上得到了广泛应用。汽车工况比较复杂，要求驱动电机具有良好的外特性，在车辆爬坡或起步时能输出稳定的转矩，超车或高速工况时能输出高功率。因此，异步交流电机外特性的设计优化对提升电动汽车用异步电机综合性能具有重要意义。

电机外特性曲线代表了电机的转速与输出转矩、输出功率的关系，三者不同的对应关系代表了不同的工况。曲线包含恒转矩区和恒功率区，对于电动汽车用异步电机，要求这两个区包络更多的工况以适应不同的路况需求。因此，需要增大电机恒转矩区和恒功率区，以改善电机外特性。通常，增大驱动电机的调速范围和最大输出功率是增大恒转矩区和恒功率区的主要途径。国内外学者针对该问题已做了部分研究。例如探究了感应电机弱磁控制机理，通过电压电流极限控制策略，实现了电压的拓展和转矩的提升。此外，异步电机外特性优化还包括控制输出电压和调节气隙磁场等控制方法。目前，对感应电机外特性研究主要在控制策略方面，从分析电机内部电磁耦合机理角度出发并优化电机外特性的研究较少。

发明内容

本发明研究基于电磁-结构耦合的异步电机外特性分析及优化，以优化定子槽口宽度Bs₀、转子槽口高Hs₀、转子槽深Hs₂、转子上槽宽Bs₁及下槽宽Bs₂从而提高异步电机的外特性。

为实现本发明的目的，采用的技术方案如下：

步骤1：根据等效电路分析了电机外特性的影响因素，包括基速和最大输出功率，选择电机结构参数为设计变量，然后采用响应面法建立目标的代理模型，利用有限元分析方法获得初始样本对应的电机基速和最大输出功率的参数值；

步骤2：以基速最大和最大输出功率最大为目标，建立外特性优化模型，并采用多目标优化算法ToP进行参数优化；

优选地，步骤1中所述依据异步电机等效电路分析了电机外特性，确定设计变量，然后建立代理模型，其具体流程为：

(1)电机外特性是衡量电机驱动能力的重要指标，反映了电机输出功率与输出转矩、转速之间的对应关系：

根据驱动电机负载运行时的电压方程可得到定、转子侧等效电路。为了便于计算，将转子侧电路折合到定子同侧，折算前后电机内部的电磁状态保持不变，即损耗、功率均不变。由此得到异步电机的T型等效电路如图1所示。在图1中，I_s和I_s^r分别是流过定子绕组、转子导条的电流，R_s是定子电阻，L_sσ是定子漏感，R^s_r是折算到定子侧的等效转子电阻，L_rσ^s是折算到定子侧的等效转子漏感，s是转差率。

三相异步电机的电磁转矩解析式表示为：

式中，p_n是极对数，U_s是定子相电压，w是供电角频率。转差率s表示为：