摘要：近年來，以高速永磁無刷直流電機(jī)為主的高速電機(jī)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(jī)運(yùn)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(yùn)行效益的有效提高。本文主要以高速永磁無刷直流電機(jī)為研究對象，重點(diǎn)針對高速永磁無刷直流電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究與分析，以供參考。

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

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(shí)，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(yùn)行設(shè)備代表的高速永磁無刷直流電機(jī)憑借自身噪聲低、運(yùn)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(jī)運(yùn)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(fèi)問題，不利于高速永磁無刷直流電機(jī)的高效使用。針對于此，研究人員應(yīng)該本著節(jié)能設(shè)計(jì)、環(huán)保設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，針對高速永磁無刷直流電機(jī)現(xiàn)存的耗損問題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期可以從根本上推動高速永磁無刷直流電機(jī)設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展。

1 ?高速永磁無刷直流電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)應(yīng)用體系得到進(jìn)一步健全與優(yōu)化[1]。目前，高速永磁無刷直流電機(jī)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(jī)的應(yīng)用功能進(jìn)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(jī)設(shè)備。

但是從客觀角度上來看，高速永磁無刷直流電機(jī)在功率密度方面與運(yùn)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(jī)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(jī)的鐵芯損耗問題，才能夠從根本上提高電機(jī)運(yùn)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(jī)鐵芯損耗問題的研究工作，力求可以通過運(yùn)用多種優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yùn)用自適應(yīng)交叉率與自適應(yīng)變異率的遺存算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，研究人員主張針對電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)與約束條件函數(shù)進(jìn)行合理應(yīng)用，通過明確掌握設(shè)計(jì)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(jì)方案，降低電機(jī)內(nèi)部鐵芯損耗問題[3]。

2 ?高速永磁無刷直流電機(jī)內(nèi)部損耗分布情況分析

在優(yōu)化設(shè)計(jì)高速永磁無刷直流電機(jī)之前，我們需要明確并掌握高速永磁無刷直流電機(jī)內(nèi)部損耗分布情況。結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)來看，高速永磁無刷直流電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速明顯加快時，涉及到的鐵芯損耗問題就愈加明顯。機(jī)械損耗與銅耗相對較少。究其原因，主要是因?yàn)樘幱诟咚龠\(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時，電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)涉及到的鐵耗問題與機(jī)械損耗問題相對較多，往往會對電機(jī)應(yīng)用性能產(chǎn)生直接影響。因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，建議設(shè)計(jì)人員應(yīng)該優(yōu)先針對高速永磁無刷直流電機(jī)的電機(jī)效率為具體優(yōu)化目標(biāo)，嚴(yán)格按照電機(jī)效率目標(biāo)要求進(jìn)行部署規(guī)劃，確保設(shè)計(jì)效果可以達(dá)到預(yù)期。

3 ?高速永磁無刷直流電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)依據(jù)分析

高速永磁無刷直流電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要以優(yōu)化理論為基礎(chǔ)理論，通過合理借助計(jì)算機(jī)邏輯判斷能力與計(jì)算能，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)設(shè)計(jì)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(yàn)來看，初始方案設(shè)計(jì)過程中需要借助一些設(shè)計(jì)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(jìn)行優(yōu)化處理。

其中，對于高速永磁無刷直流電機(jī)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(jìn)行變量問題的選取與計(jì)算。通過衡量與反復(fù)比較，確定最終的計(jì)算結(jié)果。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，因?qū)δ骋粋€變量進(jìn)行研究與分析時，其他變量將會被視為固定值，這對于電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)內(nèi)容，降低電機(jī)內(nèi)部損耗問題。

4 ?基于改進(jìn)遺傳算法的高速永磁無刷直流電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jìn)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?yàn)檫z傳算法在全部進(jìn)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(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作當(dāng)中。

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

基于改進(jìn)遺傳算法的高速永磁無刷直流電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)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(yùn)用較少的進(jìn)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(shí)現(xiàn)對常規(guī)遺傳算法的優(yōu)化改進(jìn)。

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(jìn)行不斷改進(jìn)。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(jìn)行有機(jī)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(yùn)用遺傳算法實(shí)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(jìn)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(jì)方案，高速永磁無刷直流電機(jī)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(xiàng)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(jī)鐵耗，問題，促進(jìn)高速永磁無刷直流電機(jī)運(yùn)行效率加快。按照優(yōu)化設(shè)計(jì)前后方案，研究人員分別作出樣機(jī)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(jī)與最終方案樣機(jī)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。總體來看，基于改進(jìn)遺傳算法的電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)基本上達(dá)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(jī)運(yùn)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低鐵耗、提高運(yùn)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(jìn)遺傳算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，基本上可以實(shí)現(xiàn)對高速永磁無刷直流電機(jī)運(yùn)行效率的優(yōu)化處理。

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

作者簡介：劉曉宇（1984-），女，安徽人，講師，博士，研究方向?yàn)殡姍C(jī)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。