(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211236745.9 (22)申请日 2022.10.10 (71)申请人 曲阜师范大学 地址 273165 山东省济宁市曲阜市 静轩西 路57号 (72)发明人 秦清海　蔡彬　褚晓广　阚斌　 刘莹　 (51)Int.Cl. H02K 49/10(2006.01) H02K 1/278(2022.01) H02K 1/2791(2022.01) H02K 7/10(2006.01) G06F 30/23(2020.01) (54)发明名称 兆瓦级风电机组多级磁齿轮箱的磁齿轮分 级优化设计方法 (57)摘要 本发明兆瓦级风电机组多级磁齿轮箱的磁 齿轮分级优化设计方法， 属风电领域。 该磁齿轮 包括内外转子和调磁环； 以磁齿轮质量转矩密度 MTD、 调磁环和内转子转矩脉动、 调磁环最大磁力 为优化目标； 基于MTD 对离散参数进行优化； 以外 转子外半径、 内外转子永磁体厚度及铁芯厚度、 调磁环厚度和磁齿轮轴向长度为待优化的连续 尺寸参数； 以前6个参数为优先待优化变量， 并用 神经网络建立其与优化目标之间的代理模型， 将 连续尺寸参数优化问题转为多目标非线性规划 问题； 采用NSGA ‑II算法得到最佳优先待优化参 数组合； 依此确定最佳轴向长度。 本发明将优化 问题分为离散参数和连续尺寸参数优化两部分 进行， 大大节省计算时间， 确保磁齿轮箱各项性 能最优。 权利要求书4页 说明书12页 附图7页 CN 115514186 A 2022.12.23 CN 115514186 A 1.兆瓦级风电机组多级磁齿轮箱的磁齿轮分级优化设计方法， 所述多级磁齿轮箱， 是 指用于半直驱型风电机组的两级磁齿轮箱和用于双馈型风电机组的三级磁齿轮箱； 两级磁 齿轮箱包括： 低速级磁齿轮、 高速级磁齿轮； 三级磁齿轮箱， 包括低速级磁齿轮、 中速级磁齿 轮、 高速级磁齿轮； 所述磁齿轮均为同轴磁齿轮， 包括： 外转子、 内转子、 调磁环、 主动轴、 从 动轴； 所述外转子包括外转子永磁体及外转子铁芯； 所述内转子包括内转子永磁体及内转 子铁芯； 所述调磁环包括调磁铁块和非导磁材料； 所述低速级磁齿轮的主动轴的一端与所 述低速级磁齿轮的调磁环相连， 另一端通过联轴器与风轮主轴 连接； 所述高速级磁齿轮从 动轴的一端与所述高速级磁齿轮的内转子相连， 另一端通过联轴器与风力发电机的转轴固 定； 其特征在于， 采用如下步骤： 步骤1， 选取所述磁齿轮的质量转矩密度MTD、 所述磁齿轮的调 磁环转矩脉动RIPs、 所述 磁齿轮的内转子转矩脉动RIPin以及所述磁齿轮的调磁环的最大磁力Fmax_s作为优化目标； 所述磁齿轮的质量 转矩密度MTD定义 为其失速转矩Tstall与其活性材 料质量之比， 即： 式中， mPM为所述磁齿轮的内转子和外转子所用磁钢， ms为所述磁齿轮的内转子和外转 子铁芯及调磁环的调磁铁块所用硅钢片质量； 所述磁齿轮的调磁环和内转子为 转动构件， 所述 转动构件的转矩脉动按下式计算： 式中， Tmax、 Tmin以及Tave分别表示磁力转矩的最大值、 最小值以及平均值； 进一步的， 为同等程度地削弱所述磁齿轮的调磁环和内转子的转矩脉动， 以及减少系 统优化目标的个数， 定义综合脉动系数 KT为： 式中， RIPs_k和RIPin_k分别表示第k次有限元实验 中所述磁齿轮的调磁环和内转子的转 矩脉动， K为有限元仿真实验次数； 步骤2， 基于质量转矩密度MTD对所述磁齿轮的离散参数即所述磁齿轮的增速比G进行 优化； 步骤3， 选取下列7个参数作为所述磁齿轮的待优化的连续尺寸参数： 外转子外半径R、 内转子永磁体厚度hin、 外转子永磁体厚度ho、 调磁环厚度hs、 内转子铁芯厚度bin、 外转子铁 芯厚度bo以及所述磁齿轮的轴向长度L； 基于拉丁超立方采样实验， 先选取待优化的连续尺 寸参数中的6个参数R、 hin、 ho、 hs、 bin、 bo作为优先待优化变量以建立所需样本空间； 步骤4， 使用BP神经网络建立所述磁齿轮的各优化目标与优先待优化变量之间的代理 模型， 并将所述磁齿轮的优先待优化连续尺寸参数优化问题转化为多目标非线性规划问 题， 该问题的数 学表达式为：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115514186 A 2式中， Ru、 Rl分别表示所述磁齿轮的外转子外半径的上限与下限； hinu、 hinl分别表示所述 磁齿轮的内转子永磁体厚度的上限与下限； hou、 hol分别表示所述磁齿轮的外转子永磁体厚 度的上限与下限； hsu、 hsl分别表示所述磁齿轮的调磁环厚度的上限与下限； binu、 binl分别表 示所述磁齿轮的内转子铁芯厚度的上限与下限； bou、 bol分别表示所述磁齿轮的外转子铁芯 厚度的上限与下限； x＝[x1,x2,…,x6]＝[R,hin,ho,hs,bin,bo]为优先待优化参数向量； O1 (x)、 O2(x)以及O3(x)分别为所述磁齿轮的目标函数质量转矩密度MTD、 综合脉动系数KT以及 所述调磁环的最大磁力Fmax_s的预测值； 步骤5， 采用非支配排序遗传算法2， 即NSGA ‑II， 利用Pareto占优机制， 进行快速非支配 解集排序， 生成Pareto最优解集， 并根据设计需求选择一组所述磁齿轮的最佳优先待优化 连续尺寸 参数组合； 步骤6， 基于步骤5得出的一组所述磁齿轮的最佳优先待优化连续尺寸参数组合， 即所 述磁齿轮的外转子的外半径R、 内转子永磁体厚度 hin、 外转子永磁体厚度 ho、 调磁环厚度 hs、 内转子铁芯厚度bin以及外转子铁芯厚度bo的最佳值， 对所述磁齿轮的轴向长度L进行参数 扫描实验， 确定满足转矩性能要求的轴向长度L的最佳值。 2.根据权利要求1所述的兆瓦级风电机组多级磁齿轮箱的磁齿轮分级优化设计方法， 其特征在于， 所述 步骤2的具体方法是： 21)根据实际应用场景限制， 建立所述磁齿轮的初始有限元模型， 并根据实际情况选取 一组初始内外转子磁极对数、 调磁 块数{pin0， po0， Ns0}， 其中， pin0、 po0以及Ns0分别表示 所述磁 齿轮的内转子磁 极对数pin、 外转子磁 极对数po以及调磁环的调磁块数Ns的初始值； 且有： pin +po＝Ns， G＝Ns/pin； 22)调整所述磁齿轮的轴向长度L， 使所述磁齿轮的磁力转矩满足设计要求； 在此基础 上， 仅改变所述磁齿轮的内、 外转子磁极对数和调磁块数以形成不同的增速比序列， 进行有 限元实验并绘制所述磁齿轮的质量 转矩密度MTD与其增速比G之间的曲线； 23)选取步骤22)所述曲线中MTD峰值处对应的增速比G， 核验此 时所述磁齿轮的调磁环 转矩脉动RIPs及内转子转矩脉动RIPin是否达标； 若达标则结束， 进入步骤3， 否则选取MTD峰 值附近的增速比G， 重新核验RIPs及RIPin是否达标， 如此往复， 直至 达标。 3.根据权利要求1所述的兆瓦级风电机组多级磁齿轮箱的磁齿轮分级优化设计方法， 其特征在于， 所述 步骤3的具体方法是： 31)合理选择优先待优化变量， 即所述磁齿轮的外转子外半径R、 内转子永磁体厚度hin、 外转子永磁体厚度ho、 调磁环厚度hs、 内转子铁芯厚度bin、 外转子铁芯 厚度bo的调节范围， 以 界定优先待优化变量空间的边界； 32)确定抽样规模S， 基于步骤31)所述优先待优化变量的范围， 将每维变量的范围区间 划分成S个均匀的小区间；权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115514186 A 3