开关磁阻电机设计及多目标优化方法的研究

卢庆收 王蕾 薛姣 刘辉

摘 要：文章首先讨论的内容为开关磁阻电机的初始设计，具体包括尺寸计算、控制参数计算等，然后又对关键尺寸的敏感性进行了分析，最后通过理论与实际相结合的方式，围绕着遗传算法的优化及应用展开讨论，以期能够在某些方面给相关人员以启发。

关键词：开关磁阻电机；多目标优化；设计方法

开关磁阻电机的优势主要体现在控制灵活，成本地，调速范围较宽等方面，正是因为如此，SRM被应用在了包括风力发电和电动汽车在内的诸多领域，并取得了一定的效果。但是运行效率低、转矩脉动显著等问题的存在，使得SRM无法充分发挥应有的作用，如何通过多目标优化的方式突破现有瓶颈，提高SRM的应用效率，自然成为了有关人员研究的重点，本文所研究内容具有一定的现实意义。

1 开关磁阻电机的初始设计

1.1 具体尺寸计算

能够对电机尺寸与输出功率关系进行揭示的SRM输出方程如下：

能够对电机性能、经济指标产生直接影响的因素为λ，若λ值较小，电机细长，无论是启动还是调速都更加便捷，但通风条件较差；若λ值较大，电机粗短，此时电机特点与λ值较小相反。

1.2 控制参数计算

核算设计电机性能时，较为常见的方法为角度位置控制。以额定转速为前提，对开通角进行预取：

2 对关键尺寸的敏感性进行分析

由于开关磁阻电机具有多个尺寸，和电机性能存在着较为复杂的关系，仅仅通过尺寸调整想要达到性能优化的目标难度较高。本文以不同尺寸参数具有的敏感性为基础，通过对其进行分析的方式得出不同尺寸参数与电机功率、效率间的关系，为后续围绕着性能优化开展的相关工作提供参考[1]。以电机尺寸不变为前提，通过实践确定能够给电机效率带来直接影响的因素主要有定子轭高和转子外径，下面就以这两个因素为切入点，分别展开讨论。

2.1 定子轭高

效率和定子轭高成正相关关系，也就是说，如果定子轭高增加，效率必然会有所提高。本文所讨论电机具有高转速和大功率的特点，而通过分析可以发现，电机损耗主要由定子铁耗和转子铁耗构成，其中占据较大比重的为定子铁耗。基于此，随着定子轭高的逐渐增加，铁耗往往会呈现出明显的下降趋势，此时，电机输出功率与之前相比也有所增加，电机效率自然明显提升。

2.2 转子外径

效率和转子外径同样成正相关关系，如果想要提高效率，增加转子外径是很有必要的，由于铜耗和铁耗同时下降，总功率损耗可以忽略不计，但是随着转子极高的逐渐提高，电感变化率也会出现明显的变化，输出功率变大和效率提高是必然结果。

除此之外，围绕着敏感性所展开的分析还表明，能够对电机效率、输出功率产生直接影响的定转子极弧，还存在对转矩波动产生影响的可能。

3 遗传算法的优化及应用

作为多参数、多目标问题，对SRM优化算法进行选取和完善具有十分重要的意义。从实质上来说，优化算法由两部分组成，分别是随机性算法以及确定性算法。随机性算法指的是随机在设计空间内进行搜索；确定性算法指的是以梯度信息为依据，按照特定方向完成寻优搜索的工作。需要注意的是，这两种优化算法均具有相应的优点和不足，在实际应用过程中，人们应结合具体要求对优化算法进行选择。随机性算法无需梯度计算这一步骤，且能够确定全局最优解，但是与确定性算法相比收敛速度要更慢；确定性算法虽然能够在平滑设计空间内完成高效寻优，但导数计算常与该法配合应用，对复杂程度较高的设计空间而言，应用确定性算法较易出现局部最优的问题[2]。本文最终选择将遗传算法应用在开关磁阻电机的设计过程中，作为启发性算法的一种，遗传算法能够通过对自然进化过程进行模拟的方式，搜索问题并确定最优解。实践结果表明，与其他算法相比，遗传算法的优势主要体现在以下方面：首先是过程简单，其次是并行程度高，最后是可扩展性和搜索能力较强。但是该算法的不足也是十分明显的，例如早熟问题的出现、收敛速度较慢等，基于此，本文将模拟退火和遗传算法进行了结合，通过对模拟退火因子的合理应用，拉伸适应度函数，增大相似个体之间存在的差异。保证所选择初始退火温度的科学性与合理性，不仅可以避免早熟情况的出现，还能够缩短遗传算法在收敛时需要花费的时间。

4 结论

通过对上文所叙述的内容进行分析能够看出，由于SRM设计对传统方法过于依赖，不仅对专业知识和经验具有较高的要求，还无法保证获得全局最优解，文中通过对遗传算法进行改进的方式，使电机性能得到了应有的优化。实践结果表明，应用该算法对SRM多目标进行优化，不仅可以在短时间内确定全局最优解，还能够使得电机效率得到大幅度提高，转矩波动自然也会随之减小。

参考文献：

[1]孙玉坤，袁野，黄永红，胡文宏，项倩雯，周云红.磁悬浮开关磁阻电机多目标优化设计[J].电机与控制学报，2016，20（11）：32-39.

[2]宋受俊，葛乐飞，蒋艳玲.基于文化粒子群算法的开關磁阻电机多目标优化设计[J].西北工业大学学报，2014，32（01）：111-117.