田口法在永磁同步电机优化设计中的应用

摘 要：为了改善电动汽车用永磁同步驱动电机的振动噪声，以降低永磁同步电机的转矩波动和齿槽转矩为优化目标、增大单位磁钢宽度的平均转矩和直轴电感为约束条件，选取“V”型转子磁极结构中永磁体槽的位置、尺寸和磁钢宽度等参数作为优化设计变量，在仿真实验中采用田口法设计，选出最优的参数组合方案。仿真结果表明：田口法优化后的相关性能相比于原机方案得到了全面提升，仿真结果验证了田口法在车用永磁同步驱动电机电磁性能优化设计中的有效性和实用性。

关键词：永磁同步电机；电动汽车；优化设计；田口法；有限元

中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2019）06-40-05

Application of taguchi method in optimum design of permanent magnet

synchronous motor*

Han Aiguo1，2， Yuan Zhao1，2*， Zheng Qingxing1，2， Xu Haijun3， Zhao Shangyi3

（1.Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components（Wuhan University of Technology），

Hubei Wuhan 430070； 2.Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology，

Hubei Wuhan 430070； 3.Liuzhou Wuling Automobile Industry Co.， Ltd.， Guangxi Liuzhou 545000）

Abstract： In order to reduce the vibration and noise of permanent magnet synchronous m-otor （PMSM） for electric vehicle， the position and size of permanent magnet slot and the width of permanent magnet in the V-type rotor pole structure are selected as optimal desi-gn variables， and Taguchimethod is used to reduce the torque fluctuation and coggingto-rque of PMSM as optimization objective， increase the average torque per width of magnet and theinductance of straight axis as constraints. In the simulation experiment， Taguchi method is used to design the optimal parameter combination scheme.The simulation resul-ts show that the optimized performance of Taguchi method is improved compared with theoriginal scheme.The simulation results verify the effectiveness and practicability of Taguc-hi method in the optimization design of electromagnetic performance of PMSM forelectricvehicle.

Keywords： permanent magnet synchronous motor； electric vehicle； optimization desi-gn； Taguchi method； finite element method

CLC NO.： U462 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2019）06-40-05

前言

近年来随着人民对环境保护的呼声和国家法规的要求，电动汽车已经成为汽车行业发展的新向标。驱动电机作为电动汽车的动力源，其相关研究在近十年来得到了突飞猛进的发展。内置式永磁同步电机（IPMSM）具有高功率密度、高效率、较宽的调速范围等优良性能，已经逐渐成为当今电动汽车驱动电机的主流选择[1]。然而永磁同步電机在运行过程中的转矩波动现象会降低驱动效率，增大汽车行驶中的振动和噪声，恶化行车舒适性，因此在电机设计时应使电机具有较低的转矩波动[2-3]。另外希望驱动电机以最小的体积产生尽量大的功率和较宽的调速范围，这就要求在电机设计时保证其具有尽量大的转矩密度和直轴电感。

在对永磁同步电机进行优化设计时，通常选取一个或者多个结构参数进行参数化有限元仿真，这种做法简单方便，但是仿真时间长，效率低，且具有盲目性。因此有人采用如粒子群算法和遗传算法等优化算法进行电机优化设计[4-5]，其优点是可以自动地对全局参数变量进行寻优，可以考虑到所有的优化性能指标，但是其优化目标具体函数的建立比较复杂，计算耗时很长。

田口法是一种快速寻优的局部优化算法，自被提出以来，在电机优化设计中得到了广泛应用[6-7]。其在电机结构优化设计上具有显著优势：以最少的实验次数获得最优的实验参数的组合，文献[7]通过优化设计实验证明了田口法相比于粒子群等算法具有高效性和实用性。

內置式永磁同步电机转子磁极结构中，嵌放永磁体的槽的尺寸位置以及永磁体的尺寸是影响电机性能的重要参数[11]，文中以永磁体槽的尺寸位置的相关参数和永磁体的宽度为设计变量，以降低电机额定电流下的转矩波动和齿槽转矩为优化目标，单位磁钢宽度产生的扭矩和直轴电感不小于原机性能为约束条件，在ANSYSMaxwell有限元仿真软件中采用田口法进行优化设计，将优化后的电机性能与定子斜槽方案进行对比，并对比优化前后峰值电流下的性能变化，以综合考察电动汽车在匀速行驶和急加速行驶时驱动电机的动态性能。

1 IPMSM电机模型和主要参数

本文以48槽8极内置式“V”型转子磁极结构的永磁同步电机作为优化对象，一极下的定转子结构及部分参数如图1所示，原机的基本参数如表1所示。

在“V”型转子磁极结构中，空气槽的形状和永磁体的尺寸是影响电机性能的重要因素，如图1标注所示，其参数分别是磁桥宽度a、空气槽厚度b、同极永磁体间加强肋宽度k、空气槽中部距转轴径向长度h、永磁体极间长度r、r的高度d、单块磁钢宽度w，磁钢厚度t。

2 基于田口法的电机性能优化

田口法是日本质量控制专家田口玄一融合正交实验的优点和信噪比技术的特点而创立的一套优化方法，其特点是通过正交表安排各参数的各水平组合，是一种对优化参数变量进行正交表实验设计的局部优化方法，其显著优点是可以通过最少的实验次数来获得优化参数的最佳组合。因此可以在电机有限元仿真软件中应用田口法来快速获得理想的仿真结果。

田口法实验设计的主要分为三个步骤：

（1）确定优化因子及其水平，建立优化目标；

（2）建立正交表，对各次实验进行有限元仿真；

（3）对各实验的计算结果进行平均值和方差分析，得到各因子对优化目标的影响比重，选取并验证最优的各因子水平组合。

由于磁钢厚度t会影响电机的抗退磁能力，磁桥宽度a与转子结构强度有关，因此为保证电机的抗退磁能力和转子结构强度，将图1中除a和t外的其他参数取为优化因子，各因子取5个水平，表2给出了各因子水平取值，这些因子的取值考虑到了空间限制、设计精度和实际生产工艺的允许精度。

3 结论

在车用驱动的场合下通常关注永磁同步电机的转矩波动率和齿槽转矩，以降低电机的振动噪声。本文在对车用永磁同步驱动电机进行有限元仿真时，将田口法应用于其优化设计中，得出如下结论：

以降低齿槽转矩Tc和转动波动率Kt为优化目标，直轴电感La和单位磁钢宽度产生的平均转矩Ta不小于原机性能为约束条件，得到了“V”型转子磁极结构的空气槽的最佳位置，实现了优化目标的大幅优化。同时优化设计后峰值电流时的性能亦得到了提升。

仿真结果表明了田口法在电机电磁仿真优化设计时的实用性和高效性，对工程实践应用具有现实指导意义。

参考文献

[1] 彭海涛，何志伟，余海阔.电动汽车用永磁同步电机的发展分析[J].微电机，2010，43（6）：78-81.

[2] Kim K C. Analysis on ElectromagneticVibration for Interior Perma -nent Magnet Synchronous Motor Due to Temperature and Loads[J]. Journal of Computation-al & Theoretical Nanoscience， 2017，23（10）： 9767-977.

[3] 王斯博，赵慧超，李志宇，等.电动车永磁同步电机转矩波动分析及测试[J].电机与控制学报， 2015，19（9）：95-102.

[4] Lee J H， Song J Y， Kim J W，et al. Distance based intelligent particle -swarm optimization for optimal de-sign of permanent magnet syn -chronous machine[J].IEEE Transactions on Magnetics，2017， 53（6）： 1-4.

[5] 王艾萌，温云.基于混合遗传算法的内置式永磁同步电机的优化设计[J].电机与控制应用，2017，44（03）：59-65+95.

[6] Xia C， Guo L， Zhang Z， et al. Opti-malDesigning of Permanent Mag -net Cavity to Reduce Iron Loss of Interior Permanent Magnet Machine[J].IEEE Transac-tions on Magnetics， 2015， 51（12）：1-9.

[7] Song J， Dong F， Zhao J， et al. Opti-mal design of permanent magnetlinear synchronous motors based onTaguchi method[J]. Iet Electric Power Ap-plications， 2017， 11（1）：41-48.

推荐访问： 永磁 优化设计 同步电机 田口法

---