本發明屬于電機設計領域，具體的說是涉及一種確定無刷雙饋電機轉子最優設計參數的解耦方法。

背景技術：

無刷雙饋電機(Brushless Doubly Fed Machine，BDFM)是一種新型的交流電機，它結構簡單、堅固耐用、安全可靠性高、維修成本低、起動和運行特性良好，并且能方便地實現異步、同步、雙饋和變速恒頻發電等多種運行方式。這使BDFM在傳統交流調速系統和風力、水力系統的變速恒頻發電領域有廣闊的應用前景，對其的研究和開發也逐漸趨于熱門。

目前，BDFM的主要研究方向是發現結構更簡單且對磁場調制能力更強的轉子，相關研究和文獻中基本都會出現不同形式轉子電機性能的對比分析，但如何在確定轉子形式后，獲得該類轉子的最優物理結構，即獲得對磁場調制能力最優的此類轉子，還沒有具體方法，且在不同形式轉子無法同時達到最優性能點的情況下，對它們的性能作橫向對比所得出的結論也顯得缺乏說服力，甚至會影響BDFM的整體開發進度。因此，找到一種保證可以使BDFM各類轉子達到最優性能點的方法是很有意義的。

技術實現要素：

鑒于已有技術存在的缺陷，本發明的目的是要提供一種確定無刷雙饋電機轉子最優點參數的方法，其通過對所選定的參數進行不斷的解耦，去除各個參數之間可能存在的相互作用，最終得出BDFM轉子的最優物理結構。

為了實現上述目的，本發明的技術方案：

一種確定無刷雙饋電機轉子最優設計參數的方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1、根據工藝設計需要對無刷雙饋電機轉子所對應的各設計參數進行篩選并確定若干關鍵參數；

步驟2、自所確定的各關鍵參數中隨機選擇一個關鍵參數作為第一解耦參數；

步驟3、在保證其他關鍵參數符合上述工藝設計需要的仿真條件下，對所述第一解耦參數進行分布仿真分析并選定對磁場調制能力最好的分布值作為第一解耦參數值；所述分布仿真分析是指對當前所選定的解耦參數設定不同的分布值，并對所設定的各分布值進行有限元仿真分析；

步驟4、自剩余的關鍵參數中隨機選擇一個關鍵參數作為第二解耦參數；在保證以所選定的第一解耦參數值為基準，同時其他仿真條件保持一致的情況下，對第二解耦參數進行分布仿真分析并選定對磁場調制能力最好的分布值作為第二解耦參數值；

步驟5、基于所選定的第二解耦參數值，對第一解耦參數、第二解耦參數進行解耦分析，以確定所述第一解耦參數值與第二解耦參數值兩者間不存在相互影響即確定本步驟中所選定的第一解耦參數值及第二解耦參數值為各自所對應的解耦參數的最優設計值；其中，所述的解耦分析包括首先在保證以當前所選定的第二解耦參數值為基準，同時其他仿真條件保持一致的情況下，再次對所述第一解耦參數進行分布仿真分析并自所設定的分布值中再次選定對磁場調制能力最好的分布值作為第一解耦參數值；其次對兩次分布仿真分析中所選定兩個的第一解耦參數值進行一致性檢驗即判斷所選定的兩個第一解耦參數值是否基本相同；是則，確定第一解耦參數值與第二解耦參數值兩者間不存在相互影響；否則確定所述第一解耦參數與第二解耦參數兩者間存在相互影響，并循環重復下述步驟直至確定第一解耦參數值與第二解耦參數值兩者間不存在相互影響，所述步驟是指在保證以最新選定的第一解耦參數值為基準，同時其他仿真條件保持一致的情況下，再次對所述第二解耦參數進行分布仿真分析并自重新選定對磁場調制能力最好的第二解耦參數值后，以最新選定的第二解耦參數值為基準，同時其他仿真條件保持一致的情況下，對所述第一解耦參數進行分布仿真分析并自所設定的分布值中選定對磁場調制能力最好的分布值作為新的第一解耦參數值并對當前兩次分布仿真分析中所選定兩個的第一解耦參數值進行一致性檢驗；

步驟6、自剩余的關鍵參數中依次隨機選擇一個關鍵參數作為第N解耦參數；在保證以所選定的第一解耦參數最優設計值、第二解耦參數最優設計值、第N-1解耦參數最優設計值為基準，同時其他仿真條件保持一致的情況下，對第N解耦參數進行分布仿真分析并選定對磁場調制能力最好的分布值作為第N解耦參數值，其中N取值≥3；

步驟7、基于所選定的第N解耦參數值，確定所述第一解耦參數值、第二解耦參數值、第N-1解耦參數各參數間是否均不存在相互影響，以確定出全部關鍵參數各自所對應的解耦參數的最優設計值。

進一步的，作為本發明優選方案

步驟7中所述的確定過程包括：

步驟71、自第一解耦參數、第二解耦參數、第N-1解耦參數中隨機選定一個要與第N解耦參數進行解耦分析的解耦參數；

步驟72、在保證以當前所選定的第N解耦參數值為基準，剩余的解耦參數對應最優設計值，同時其他仿真條件保持一致的情況下，重新對該解耦參數進行分布仿真分析并選定對磁場調制能力最好的分布值作為其所對應的解耦參數值后，對第N解耦參數與該解耦參數進行解耦分析，以判斷所選定的解耦參數所對應的解耦參數值與第N解耦參數值兩者間是否不存在相互影響，是則確定當前仿真條件下，第N解耦參數與所選定的解耦參數所對應的解耦參數值即最優設計值；否則，通過對第N解耦參數與該解耦參數進行解耦分析重新選定的所選定的解耦參數、第N解耦參數各自所對應的最優設計值；

步驟73、循環重復前述步驟71-步驟72，完成第N解耦參數與第一解耦參數、第二解耦參數、第N-1解耦參數中全部解耦參數的解耦分析過程，以確定全部關鍵參數各自所對應的解耦參數的最優設計值。

與現有技術相比，本發明的有益效果：

本發明基于分布仿真分析方法，通過分別對選定的各關鍵參數進行不斷的解耦分析，去除各個關鍵參數之間可能存在的相互作用，確保了各個關鍵參數同時達到對磁場調制能力最有利的值，最終實現了BDFM轉子的最優物理結構即最優設計。

附圖說明

圖1為本發明所述方法對應的步驟流程圖；

圖2為本發明所述實例對應的步驟流程圖；

圖3為本發明所述實例對應的凸極磁障式轉子結構圖；

圖4為本發明所述實例對應的關鍵參數示意圖；

圖5a為本發明所述實例對應的凸極磁障式轉子的最優化仿真模型；

圖5b為本發明所述實例對應的圓形片磁障式轉子的最優化仿真模型；

圖6a為本發明所述實例對應的凸極磁障式轉子的仿真輸出波形；

圖6b為本發明所述實例對應的圓形片磁障式轉子的仿真輸出波形；

圖7a為本發明所述實例對應的凸極磁障式轉子的數據分析結果；

圖7b為本發明所述實例對應的圓形片磁障式轉子的數據分析結果。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

如圖1-圖2所示，本發明所述方法包括，如下步驟；

步驟1、根據工藝設計需要對無刷雙饋電機-BDFM的轉子所對應的各設計參數進行篩選并確定若干關鍵參數；之所以設置該步驟的目的是BDFM已經確定的轉子形式排除干擾并選定關鍵參數，其中所述關鍵參數選擇隨工藝設計需要設定，但是基本原則需遵循下述原則：a)所選的參數盡可能的少；b)所選的參數盡量在物理結構上不互相干預；c)所選參數必須能完全限定該轉子的物理結構形式，即參數值全部確定后，轉子可以明確的設計出來。

步驟2、自所確定的各關鍵參數中隨機選擇一個關鍵參數作為第一解耦參數，為了便于理解此處稱為1號參數。

步驟3、在保證其他關鍵參數符合上述工藝設計需要的仿真條件下，對所述1號參數設定不同的分布值，并對所設定的各分布值進行二維有限元瞬態場仿真，以獲得對磁場調制能力最好的分布值作為第一解耦參數值，該值暫定為第一解耦參數的最優值。

步驟4、自剩余的關鍵參數中隨機選擇一個關鍵參數作為第二解耦參數即2號參數；在保證以所選定的第一解耦參數值為基準，同時其他仿真條件完全相同的情況下，對2號參數設定不同的分布值，并對所設定的各分布值進行有限元仿真分析，以獲得對磁場調制能力最好的分布值作為第二解耦參數值該值暫定為第二解耦參數的最優值。

步驟5、基于當前所選定的第二解耦參數的最優值，對1號參數、2號參數進行解耦分析，以確定所述第一解耦參數值與第二解耦參數值兩者間不存在相互影響即確定本步驟中所選定的第一解耦參數值及第二解耦參數值為各自所對應的解耦參數的最優設計值；所述的解耦分析包括首先在保證以當前所選定的第二解耦參數值(即為步驟4所選定的第二解耦參數的最優值)為基準，同時其他仿真條件與前次保持一致的情況下，再次對所述第一解耦參數進行分布仿真分析并自所設定的分布值中再次選定對磁場調制能力最好的分布值作為第一解耦參數值；其次對兩次分布仿真分析中所選定兩個的第一解耦參數值進行一致性檢驗即判斷所選定的兩個第一解耦參數值是否基本相同，所述基本相同是指所選定的兩個第一解耦參數值的差值的絕對值不大于所設定的偏差閾值；是則，確定第一解耦參數值與第二解耦參數值兩者間不存在相互影響，可暫定為各自對應的最優設計值；否則確定針對1號參數所進行的兩次分布仿真分析中所選定兩個的第一解耦參數值發生比較大的偏移，被確定為所述第一解耦參數與第二解耦參數兩者間存在相互影響，并循環重復下述步驟直至確定第一解耦參數值與第二解耦參數值兩者間不存在相互影響，所述步驟是指在保證以最新選定的第一解耦參數值為基準，同時其他仿真條件保持一致的情況下，再次對所述第二解耦參數進行分布仿真分析并自重新選定對磁場調制能力最好的第二解耦參數值后，以最新選定的第二解耦參數值為基準，同時其他仿真條件保持一致的情況下，對所述第一解耦參數進行分布仿真分析并自所設定的分布值中選定對磁場調制能力最好的分布值作為新的第一解耦參數值并對當前兩次分布仿真分析中所選定兩個的第一解耦參數值進行一致性檢驗；此過程稱之為1號參數與2號參數的解耦分析過程。同時本案中的不存在相互影響是指選定的各個關鍵參數在達到對電機性能發揮最有利的分布值時不對其它關鍵參數已經確定的最優值產生影響。

若僅僅選定兩個關鍵參數，則步驟1-5已完成全部關鍵參數各自所對應的解耦參數的最優設計值的確定過程；但是通常來說選定關鍵參數至少是3個以上的，那么就需要不斷引入新的解耦參數進行解耦分析，但是解耦分析的基本原則是只要有某一解耦參數的最優設計值在解耦分析過程中發生偏移即未通過一致性檢驗，就重新返回本次解耦的初始點，進行分布仿真分析并重新解耦分析。具體的，作為本發明的優選實例，若關鍵參數的個數為3個，則步驟6為將剩余的關鍵參數作為第三解耦參數，稱為3號參數；在保證以所選定的第一解耦參數最優設計值、第二解耦參數最優設計值，同時其他仿真條件保持一致的情況下，對3號參數設定不同的分布值，并對所設定的各分布值進行二維有限元瞬態場仿真，以獲得對磁場調制能力最好的分布值作為第三解耦參數值，該值暫定為第三解耦參數的最優值；步驟7、基于所選定的第三解耦參數的最優值，確定所述第一解耦參數值、第二解耦參數值、第三解耦參數各參數間是否均不存在相互影響，以確定出全部關鍵參數各自所對應的解耦參數的最優設計值。進一步的，作為本發明的優選實例，所述步驟7包括：步驟71、自第一解耦參數、第二解耦參數、中隨機選定一個要與第N解耦參數進行解耦分析的解耦參數，如圖2，本例首選選擇第一解耦參數、即1號參數；步驟72、在保證以當前所選定的第三解耦參數的最優值為基準，剩余的第二解耦參數分別對應步驟5中所選定的最優設計值，同時其他仿真條件保持一致的情況下，重新對第一解耦參數進行分布仿真分析并選定對磁場調制能力最好的分布值作為其所對應的第一解耦參數值后，對第三解耦參數與第一解耦參數進行解耦分析，以判斷第一解耦參數所對應的解耦參數值與第三解耦參數值兩者間是否不存在相互影響，是則確定當前仿真條件下，第三解耦參數與第一解耦參數所對應的解耦參數值即最優設計值；否則，通過對第三解耦參數與第一解耦參數進行解耦分析重新選定的第一解耦參數、第三解耦參數各自所對應的最優設計值；步驟73、重復前述步驟71-步驟72，即將第二解耦參數即2號參數作為第二個要與第三解耦參數進行解耦分析的解耦參數，在保證以當前所選定的第三解耦參數的最優值為基準，第一解耦參數對應步驟72中所選定的最優設計值，同時其他仿真條件保持一致的情況下，重新對第二解耦參數進行分布仿真分析并選定對磁場調制能力最好的分布值作為其所對應的第二解耦參數值后，對第三解耦參數與第二解耦參數進行解耦分析，以判斷第二解耦參數所對應的解耦參數值與第三解耦參數值兩者間是否不存在相互影響，是則確定當前仿真條件下，第三解耦參數與第二解耦參數所對應的解耦參數值即最優設計值且此時即確定出全部最優設計值；否則，以當前所重新選定的第二解耦參數值為基準，同時其他仿真條件保持一致的情況下，再次重新對第一解耦參數進行分布仿真分析并選定對磁場調制能力最好的分布值作為其所對應的第一解耦參數值后，確定第一解耦參數所對應的解耦參數值與第三解耦參數值兩者間是否不存在相互影響；即反復重復進行一致性檢驗，直至確定所述第一解耦參數值、第二解耦參數值、第三解耦參數各參數間均不存在相互影響，此時即可確定出全部關鍵參數各自所對應的解耦參數的最優設計值。作為本發明的優選實例，若關鍵參數的個數為3個以上，則其最優設計值的確定過程可參考關鍵參數的個數為3個的解析過程，即保證每一解耦參數與其他任意一個解耦參數的解耦參數值均能通過一致性檢驗，若未通過則以該解耦參數最新選定的解耦參數值為基準，重新進行解耦分析。

為了使得上述技術方案更為清楚，下述內容以如圖3所示凸極磁障式轉子BDFM發電機優化設計為具體實例方式對本發明所涉及的技術方案作以詳細說明，具體如下：

此電機的主要參數如表1所示：

表1電機主要參數

則該BDFM發電機轉子參數優化設計方法具體為：

步驟1、排除干擾以及篩選關鍵參數：所述排除干擾是指利用二維有限元瞬態場對比分析，排除了兩項主要干擾：1a)導磁片不等寬對轉子調制能力影響不大，考慮工藝實現的復雜程度，本例采用等寬的導磁片；1b)五個小凹陷處有導磁片雖然會使輸出相電壓幅值略有提高，但會明顯增加諧波含量，影響輸出波形效果，因此，本例選擇不在此處加小導磁片；基于上述篩選關鍵參數原則，本例關鍵參數分別選擇為：中心距h、導磁片長寬比m＝L1/L2、導磁片片數d、小齒系數a＝θ1/72、大齒系數b＝θ2/72，如圖4所示。

步驟2、自所確定的4個關鍵參數中，選擇導磁片片數d作為第一解耦參數-1號參數，在保證其他關鍵參數符合上述工藝設計需要的仿真條件下，對所述1號參數設定不同的分布值，并對所設定的各分布值進行二維有限元瞬態場仿真，如表2所示，取h＝18mm、m＝2、a＝0.2、b＝0.1，綜合考慮氣隙中有用次諧波含量、輸出相電壓幅值及工藝因素，d取2最為適合，該值暫定為第一解耦參數的最優值。

步驟3、自所確定的4個關鍵參數中，選擇導磁片長寬比m作為第二解耦參數-2號參數，在保證以所選定的第一解耦參數值為基準，同時其他仿真條件完全相同的情況下即h＝18mm、d＝2、a＝0.2、b＝0.1，對2號參數設定不同的分布值，并對所設定的各分布值進行二維有限元瞬態場仿真，如表3所示，此時m最優值取3/2。

基于當前所選定的第二解耦參數的最優值，對1號參數d、2號參數m進行解耦分析，以確定本步驟中所選定的第一解耦參數值及第二解耦參數值為各自所對應的解耦參數的最優設計值；即取h＝18mm、m＝3/2、a＝0.2、b＝0.1，對不同的d取值電機模型進行二維瞬態場有限元分析，如表4所示：在m取最優值時，d＝2仍然是符合設計要求的最優點，即證明d與m兩個參數已實現解耦，確定兩者間不存在相互影響進而確定達到最優值。

表4

步驟4、自所確定的4個關鍵參數中，選擇中心距h作為第三解耦參數-3號參數，在保證以步驟3所選定的第一解耦參數值、第二解耦參數值為基準，同時其他仿真條件完全相同的情況下即取d＝2、m＝3/2、a＝0.2、b＝0.1，對不同的h取值電機模型進行二維瞬態場有限元分析結果如表5所示：h最優值取30mm；

對h和d進行解耦：h＝30mm、m＝3/2、a＝0.2、b＝0.1，對不同的d取值電機模型進行二維瞬態場有限元，發現d的最優值仍取2；

則繼續對h和m進行解耦：取h＝30mm、d＝2、a＝0.2、b＝0.1，對不同的m取值電機模型進行二維瞬態場有限元分析結果如表6所示：從表中可見，在h取最優值時，m＝3/2不再是符合設計要求的最優點，而新的最優點出現在m＝1處，即h的最優值對m的最優值產生了影響，因此，需將m＝1帶回重新進行解耦；在仿真條件取d＝2、m＝1、a＝0.2、b＝0.1，對不同的h取值電機模型進行二維瞬態場有限元分析，發現h的最優值仍取30mm；繼續取h＝30mm、m＝1、a＝0.2、b＝0.1，對不同的d取值電機模型進行二維瞬態場有限元，發現d的最優值仍取2，則此時說明參數d、m和h已在最優點實現解耦，同時達到最優值。

步驟5、自所確定的4個關鍵參數中，選擇小齒系數a或者大齒系數b作為第四解耦參數-4號參數，在保證以步驟4所選定的第一解耦參數值、第二解耦參數值、第二解耦參數值為基準，同時其他仿真條件完全相同的情況下進行解耦分析，但是由于參數a與參數b直接決定著轉子表面導磁部分的分布，因此它們可以看成一個整體參數進行分析，提高優化效率。

則步驟5調整為先進行參數a和b的設計與解耦，再與另外三個參數進行解耦，即取d＝2、m＝1、h＝30mm、a＝0.2，對不同的b取值電機模型進行二維瞬態場有限元分析結果如表7所示：b最優值取0.1；繼續取d＝2、m＝1、h＝30mm、b＝0.1，對不同的a取值電機模型進行二維瞬態場有限元分析結果如表8所示：a最優值取0.3；

先對參數a和b進行解耦分析：即取d＝2、h＝30mm、m＝1、a＝0.3，對不同的b取值電機模型進行二維瞬態場有限元分析，發現在a取最優值時，b＝0.1仍然是符合設計要求的最優點，證明a與b兩個參數已實現解耦，同時達到最優值；

在確定a＝0.3，b＝0.1后，分別對d、m、h進行解耦分析：取h＝30mm、m＝1、a＝0.3、b＝0.1，對不同的d取值電機模型進行二維瞬態場有限元分析，發現d的最優值仍取2；取h＝30mm、d＝2、a＝0.3、b＝0.1，對不同的m取值電機模型進行二維瞬態場有限元分析，發現m的最優值仍取1；取d＝2、m＝1、a＝0.3、b＝0.1，對不同的h取值電機模型進行二維瞬態場有限元分析，發現h的最優值仍取

30mm。即可確定在a、b取最優值時，h＝30mm、m＝1、d＝2仍然是符合設計要求的最優點，證明參數a、b與h、m、d已實現解耦，同時達到最優值。最終得出此優化最優參數組合：h＝30mm、m＝1、d＝2、a＝0.3、b＝0.1。

當然可以通過進一步細化參數分布值得出更精確的優化組合，但本例設計精度已經基本足夠，細化參數已不會使三個指標量有很大的增幅。

為了進一步驗證優化效果，按照此參數值，在二維有限元瞬態場環境下繪制電機模型，基于凸極磁障式轉子、圓形片磁障式轉子的最優電機模型進行仿真對比，兩模型除轉子結構形式不同外，定子、勵磁輸入、轉速等其他條件完全相同，如圖5a、圖5b所示；經仿真運算后功率繞組輸出的反電動勢波形和數據分析結果分別如圖6a、圖6b、圖7a、圖7b所示。

對比分析結果可以發現采用凸極磁障式轉子會使輸出電壓幅值略高于采用磁障式轉子的情況，但有用次諧波含量卻低于磁障式轉子，輸出諧波含量高，對磁場調制能力差，效率較低。這主要是因為凸極處沒有磁隔離造成的，仿真結論與實際理論相符，并且通過本發明所述的最優點參數解耦法優化設計得到的凸極磁障式轉子的氣隙磁場有用次諧波含量已與最優化的圓形片磁障式轉子十分接近，證明了本發明的正確性和可行性。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。