(19)中华 人民共和国 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 202111141198.1 (22)申请日 2021.09.28 (71)申请人 江苏大学 地址 212013 江苏省镇江市京口区学府路 301号 (72)发明人 吉敬华　沈人洁　赵文祥　徐亮　 凌志健　 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06K 9/62(2022.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 111/06(2020.01) (54)发明名称 一种考虑运行工况的永磁电机优化设计方 法 (57)摘要 本发明公开了一种考虑运行工况的永磁电 机优化设计方法， 该方法将运行工况分析与多目 标优化相结合进行电机优化设计。 首先， 根据选 定运行工况， 采用K聚类法确定代表工作点及其 占比； 其次， 构建电机参数化模型， 采用响应面法 拟合磁链模 型， 通过公式法确定不同代表点最大 转矩电流比控制或弱磁控制下的电枢电流， 有效 评估各代表工作点电磁性能； 最后， 以有效材料 成本与工况损耗为优化目标进行电机多目标优 化。 多目标优化过程中采用灵敏度分析将设计变 量分级优化， 对低灵敏变量单参数寻优， 对高灵 敏变量建立响应面模型， 借助多目标算法生成帕 累托解集， 高效准确地确定电机最优参数组合， 进而降低电机制造成本并提高电机性能。 权利要求书2页 说明书7页 附图4页 CN 113946917 A 2022.01.18 CN 113946917 A 1.一种考虑运行工况的永磁电机优化设计方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤1， 对选定车辆运行工况下驱动电机的全部工作点进行数理分析， 引入K聚类法高 效合理地 提取代表工作点， 缩小 有限元优化空间； 步骤2， 构建电机参数模型， 采用响应面法拟合磁链模型， 根据代表工作点转速不同分 别采用最大转矩电流比MTPA或弱磁控制计算各个代表 点电枢电流， 获得各个代表工作点下 的电机性能； 步骤3， 确定电机设计 变量， 优化目标及约束条件； 步骤4， 采用灵敏度分析法， 将设计 变量分层优化； 步骤5， 对于高灵敏设计 变量， 建立有效材 料成本与工况损耗的响应面模型； 步骤6， 将响应面模型代入多目标算法， 得到帕累托 解集， 从中选取最优解。 2.根据权利要求1所述的一种考虑运行工况的永磁电机优化设计方法， 其特征在于， 所 述电机为 12槽/12对极定子永磁体/19对极转子永磁体三相电机， 由定子、 绕组、 永磁体与转 子组成， 电枢绕组采用单层集中绕组方式； 定转子永磁体的充磁方式均为背离圆心的径向 充磁。 3.根据权利要求1所述的一种考虑运行工况的永磁电机优化设计方法， 其特征在于， 所 述步骤1具体过程 为： 采用K聚类法对全部工作点进行聚类分析， 具体步骤为： 首先确定一个合适的k值， 在样 本数据集中随机选择k个数据值作为初始聚类中心点； 然后计算剩余样本数据到每一个聚 类中心点的欧式距离， 按距离最近原则划分入该聚类中心点所属聚类； 最后将各个聚类内 的所有样本的平均值作为新聚类中心 点， 重复迭代最后两步， 当聚类中心点不再发生变化， 则算法终止， 输出聚类中心点及其各自占比。 4.根据权利要求1所述的一种考虑运行工况的永磁电机优化设计方法， 其特征在于， 所 述步骤2具体过程 为： 首先， 建立电机参数化模型， 在整个多目标优化过程中每个样本电机外径， 槽满率与电 流密度保持不变， 通过调整电机轴向长度与匝数使电机在额定转速下获得额定转矩； 其次， 采用CCD实验设计法生 成样本数据， 拟合电机d， q轴磁链模 型； 最后， 根据 代表工作点转速不 同分别采用最大转矩电流比MTPA或弱磁控制计算各个代表点电枢电流,当代表工作点转速 低于额定转速， 电机由MTPA模式控制,当代 表工作点高于额定转速， 电机由弱磁模式控制。 5.根据权利要求1所述的一种考虑运行工况的永磁电机优化设计方法， 其特征在于， 所 述步骤3具体过程 为： 选取了定子轭厚、 定子槽高、 定子槽锲高、 定子槽口高、 定子永磁体厚度、 转子永磁体厚 度、 转子轭厚、 定子槽宽、 定子槽锲宽、 1/2定子永磁体宽度、 转子极弧系数这11个电机结构 参数为设计变量； 将额定 点转矩脉动Trip与轴向长度Lef设置为不等约束条件， 考虑到热约束 和制造工艺， 将电流密度J和槽满率Sf设置为等约束条件； 根据电机使用场合和性能要求， 设置有效材 料成本与工况损耗 为优化目标。 6.根据权利要求1所述的一种考虑运行工况的永磁电机优化设计方法， 其特征在于， 所 述步骤4具体过程 为： 引入灵敏指标衡量各个设计变量对优化目标的灵敏程度， 并通过综合灵敏度指标统筹 定量分析每个设计变量对全部优化目标的灵敏程度； 根据综合灵敏度指标大小将设计变量权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 113946917 A 2依次划入高灵敏区与低灵敏区。 7.根据权利要求1所述的一种考虑运行工况的永磁电机优化设计方法， 其特征在于， 所 述步骤5具体过程 为： 运用BBD采样法构建RS响应面模型,使用高精度三阶多项式拟合优化目标与设计变量 之间的关系， 其RS响应面模型表达式可以写为： 其中， n为设计变量个数， xi、 xj、 xk分别为第i、 j、 k个设计变量， β0为偏移项， βi、 βii、 βiii分 别为线性、 二阶与三阶偏移系数； βij与βijk为交互作用系数， ε为统计误差,为了评估近似模 型与实际电机模型的吻合度， 引入线性回归决定系数R2作为拟合精度指标， R2值越接近1， 趋 势线可靠性 就越高， 表明该近似 模型拟合 程度越高。 8.根据权利要求1所述的一种考虑运行工况的永磁电机优化设计方法， 其特征在于， 所 述步骤6具体过程 为： 将有效材料成本与工况损耗模型函数导入多目标优化算法， 借助基于等级的变异算子 的多目标差 分进化算法， 通过计算种群集各个个体的非支配前沿数和拥挤程度来确定个体 等级， 将等级靠前的个体选为变异向量， 经过有限次迭代产生帕累托解集， 并从 中挑选最优 参数组合。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 113946917 A 3