高速永磁无刷直流电机优化设计探讨

摘要：近年来，以高速永磁无刷直流电机为主的高速电机设施逐渐成为电气技术与自动化体系的重要设备，其应用遍及航空航天、工业生产等各个领域。然而，高速永磁无刷直流电机运行期间涉及到的能耗问题比较突出，尤其是铁耗问题，不利于运行效益的有效提高。本文主要以高速永磁无刷直流电机为研究对象，重点针对高速永磁无刷直流电机的优化设计方法进行研究与分析，以供参考。

关键词：高速永磁无刷直流电机;电机损耗;优化设计

0  引言

随着我国可持续战略规划以及节能降耗政策的不断贯彻与落实，国内制造行业正在朝向高效、节能方向发展。其中，作为一体化运行设备代表的高速永磁无刷直流电机凭借自身噪声低、运行效率高、使用寿命长等优势，逐渐成为电气自动化设备体系的重要组成内容。然而，从客观角度上来看，高速永磁无刷直流电机运行期间涉及到的能耗问题较多，如果不加以优化处理，势必就会造成能源浪费问题，不利于高速永磁无刷直流电机的高效使用。针对于此，研究人员应该本着节能设计、环保设计标准，针对高速永磁无刷直流电机现存的耗损问题进行优化设计，以期可以从根本上推动高速永磁无刷直流电机设备的进一步发展。

1  高速永磁无刷直流电机优化设计现状及问题研究

根据近些年发展情况来看，高速永磁无刷直流电机已经在各行业生产体系中得到了广泛应用。且在新型永磁材料的推广与应用背景下，高速永磁无刷直流电机应用体系得到进一步健全与优化[1]。目前，高速永磁无刷直流电机应用范围得到明显拓展，且在性能与作用效果方面得到明显改善。为满足行业生产体系的作业要求，相关研究人员还需要针对高速永磁无刷直流电机的应用功能进行深入研究，以期可以开发得出高性能高速永磁无刷直流电机设备。

但是從客观角度上来看，高速永磁无刷直流电机在功率密度方面与运行效率方面表现较高，且涉及到的技术内容与材料设施较多，因此需要研究的方面也比较多。目前，对于多数研究人员而言，亟待解决的主要问题就是如何降低高速永磁无刷直流电机的铁芯损耗问题[2]。一般来说，唯有降低高速永磁无刷直流电机的铁芯损耗问题，才能够从根本上提高电机运行效率。针对于此，多数研究人员已经广泛开展对高速永磁无刷直流电机铁芯损耗问题的研究工作，力求可以通过运用多种优化设计方法降低铁芯损耗问题。

结合近些年的研究情况来看，部分研究人员主张通过运用自适应交叉率与自适应变异率的遗存算法进行优化设计。其中在优化设计过程中，研究人员主张针对电机优化设计的目标函数与约束条件函数进行合理应用，通过明确掌握设计变量的高度非线性与多极值函数问题，确定科学合理的优化设计方案，降低电机内部铁芯损耗问题[3]。

2  高速永磁无刷直流电机内部损耗分布情况分析

在优化设计高速永磁无刷直流电机之前，我们需要明确并掌握高速永磁无刷直流电机内部损耗分布情况。结合以往的经验来看，高速永磁无刷直流电机内部损耗问题主要可以根据产生部位的不同，将其划分为铁芯损耗、绕组损耗、机械损耗三种。根据图1数据图可以大致明确高速永磁无刷直流电机内部损耗分布与转速之间的变化关系。

从图1数据图中可以看出，当高速永磁无刷直流电机转速明显加快时，涉及到的铁芯损耗问题就愈加明显。机械损耗与铜耗相对较少。究其原因，主要是因为处于高速运转状态时，电机内部磁场涉及到的交变频率也会随着转速的增大而改变。其中，组成铁耗问题的各类因素都会伴随着频率的增加而增加，以铁芯损耗问题最为明显。对于机械损耗问题而言，轴承摩擦损耗在很大程度上与转速之间成正比例关系。

对于铜耗问题而言，一般多与电机电枢内部的电流问题、绕组电阻问题相关，在很大程度上与转速之间并无明显关系。且整个转速范围对于电阻产生的变化相对较少，因此在整体损耗方面表现不高。另外，根据上述数据图可知，高速永磁无刷直流电机涉及到的铁耗问题与机械损耗问题相对较多，往往会对电机应用性能产生直接影响。因此，在优化设计方面，建议设计人员应该优先针对高速永磁无刷直流电机的电机效率为具体优化目标，严格按照电机效率目标要求进行部署规划，确保设计效果可以达到预期。

3  高速永磁无刷直流电机优化设计依据分析

高速永磁无刷直流电机优化设计主要以优化理论为基础理论，通过合理借助计算机逻辑判断能力与计算能，实现对电机设计方案的优化处理。按照目标函数要求确定最优值与解法[4]。结合以往的经验来看，初始方案设计过程中需要借助一些设计参数，用作成变量处理当中。之后，研究人员需要针对上述变量问题进行优化处理。

其中，对于高速永磁无刷直流电机而言，在优化方法设置方面还可以利用参数化分析方法进行变量问题的选取与计算。通过衡量与反复比较，确定最终的计算结果。但是在实际设计过程中，因对某一个变量进行研究与分析时，其他变量将会被视为固定值，这对于电机优化设计工作往往存在不利影响。针对于此，建议研究人员可以改变传统算法或者设计内容，降低电机内部损耗问题。

4  基于改进遗传算法的高速永磁无刷直流电机优化设计方法研究

4.1 标准遗传算法的局限问题

常规的标准遗传算法在很大程度上可以视为全局优化搜索算法的领域范畴，主要针对全局搜索问题进行研究与分析，但是在局部搜索能力方面表现较差。究其原因，主要是因为遗传算法在全部进化过程中，对于种群中的个体而言，难以确定合适的常数型交叉概率、或者是变异概率等。对于部分适应程度较高的个体破坏影响就更加明显，而对于常数型交叉概率、或者是变异概率较低的个体则无法直接用于全局搜索当中。因此，一代代遗传作用趋势下，群体中的多样性功能体现不再那么明显，在算法前期收敛速度方面也有所下降，无法成功用于高速永磁无刷直流电机优化设计工作当中。

4.2 优化设计方法

基于改进遗传算法的高速永磁无刷直流电机优化设计工作要求研究人员应该在相同外形尺寸与供电电压的条件下，获取电机最大效率，并借助优化程序实现对优化目标最大值的确定过程。其中，所谓的优化目标最大值主要是针对目标函数全局最大值而言。从客观角度上来讲，遗传算法在全局搜索能力表现方面较为突出，研究人员只需要运用较少的进化代数就可以促使当前最优质无限接近于最优解。与此同时，研究人员可以利用具备自适应功能的遗传算子遗传算法，实现对常规遗传算法的优化改进。

但是需要注意的是，遗传算法后期应用过程中，在搜索效果与速效率方面仍需要进行不断改进。究其原因，主要是传统搜索算法在局部搜索能力表现较差。针对于此，建议研究人员可以将遗传算法与传统模式搜索法进行有机结合，形成一种全新的混合遗传算法方式[5]。一方面，建议研究人员可以运用遗传算法实现全局搜索过程，在可控时间范围内确定最优方案。并利用局部搜索法处理最优方案，确定当前方案是否可以视为全局最优解。这种改进方法不仅可以综合两种优化算法的应用优势，同时还可以规避两种优化算法的不足，值得推广与应用。

5  结果分析

通过利用优化设计方案，高速永磁无刷直流电机在定子齿部、定子轭部以及转子轭部方面，磁密都有所下降。而铁耗中的各项损耗问题基本上与磁密大小相关。因此可以说，减小磁密可以降低电机铁耗，问题，促进高速永磁无刷直流电机运行效率加快。按照优化设计前后方案，研究人员分别作出样机处理工作。根据数据明确可以得知，在处于低转速状态时，初始方案样机与最终方案样机在损耗方面表现差不多，然而，随着转速的增大，两者相差的损耗差值有所增加，尤其接近20000r/min转速时，表现愈加明显。总体来看，基于改进遗传算法的电机优化设计基本上达到了预期目标，效果比较理想。

6  结论

总而言之，高速永磁无刷直流电机运行过程中涉及到的损耗问题比较明显，必须从多个方面对其进行优化设计，降低铁耗、提高运行效率。根据本文的研究与分析，初步可知通过利用基于改进遗传算法的优化设计方法，基本上可以实现对高速永磁无刷直流电机运行效率的优化处理。

参考文献：

[1]周凤争，孟庆霖，孟峥峥，等.高速永磁无刷直流电机转子优化设计与试验研究%Optimal Design of Rotor Structure and Experimental Study on High Speed PM BLDC Motors[J].微电机， 2019，052（003）：5-8.

[2]吴元元.高速永磁无刷直流电机电磁场理论以及无位置传感器技术的研究[D].南京航空航天大学，2012.

[3]黄迪西，崔群，房菁.基于有限元分析的永磁无刷直流电动机优化设计[J].微特电机，2012（06）：13-16.

[4]张晓宇，王晓远.减少齿槽转矩的无刷直流电机优化设计%Optimization of Design to Reduce Cogging Torque in Permanent Magnet Brushless DC Motor[J].微电机，2013，046（001）：24-27，40.

[5]李猷黔.高效率高速永磁无刷直流电动机的设计[C].天津市电机工程学会学术年会，2012.

基金项目：重庆市教委科學技术研究项目（KJQN20190011）资助。

作者简介：刘晓宇（1984-），女，安徽人，讲师，博士，研究方向为电机设计及优化。