1.本发明属于开关磁阻电机技术领域，具体涉及一种整距绕组轴向磁通开关磁阻电机及其多目标优化方法。

背景技术：

2.随着功率器件和微电子学的快速发展，近二三十年来，开关磁阻电机越来越受到人们的关注。它具有结构简单、造价低廉、机体坚固、可靠性高和调速范围广等优点，但是，由于自身磁阻性质的电磁转矩、特殊的双凸极结构以及脉冲供电方式，开关磁阻电机的转矩密度不高、转矩脉动较大，这两个问题是目前开关磁阻电机进入高性能驱动领域需要面对和解决的难点。因此，为了提高开关磁阻电机的功率密度和转矩密度，提高运行效率，减小转矩脉动，国内外学者做了很多研究，也取得了一定成果。3.将开关磁阻电机与轴向磁场结构相结合，形成轴向磁通开关磁阻电机，具有开关磁阻电机和轴向磁场电机的综合优势。轴向磁通开关磁阻电机从定子外径到定子内径的径向长度是电机产生转矩的有效区域。通过适当的磁路设计，定子和转子铁心可以被充分利用。轴向磁通电机通常能够比同样的径向磁通电机提供更高的转矩密度和功率密度。轴向长度小的轴向磁通开关磁阻电机用于低速大转矩电机驱动，例如直接驱动轮毂电机有着特别的优势。4.但是传统轴向磁通开关磁阻电机均采用集中绕组配置，往往具有较长的励磁磁路，导致损耗高、运行效率较低，同时不对齐位置磁链容易饱和，使得电机在高安匝数下的转矩输出能力不强。因此本发明提出了整距绕组配置的轴向磁通开关磁阻电机结构，并且定子电枢绕组中的电流在两个背对背的定子槽中沿相反方向流动，在不对齐位置的抵消作用和对齐位置的磁通叠加作用。意在通过新的绕组配置方式的磁路设计方法，使电机能够获得较大的最大最小电感比，提高电机出力，也提高了电机的功率密度。与传统采用集中绕组的轴向磁通开关磁阻电机相比，所述整距绕组轴向磁通开关磁阻电机相同体积下的额定功率更大，功率密度和转矩密度都获得了提升，特别适用于低速大转矩应用，可用于电动汽车轮内直驱电机。5.与此同时，针对本结构设计参数较多，采用传统优化方法耗时多的缺点，提出了一种基于设计变量分层的多目标优化方法。能够同时获得较高的电磁转矩和较低的转矩脉动，实现对电机性能的多目标同步优化。

技术实现要素：

6.本发明的实施例提供一种整距绕组轴向磁通开关磁阻电机及其多目标优化方法，提供一种轴向长度小，磁通路径短，能量转换率高，转矩密度高的轴向磁通开关磁阻电机方案和一种优化耗时短的多目标优化方法。7.为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：8.电机绕组采用整距绕组配置，绕组安装在定子槽内，相对的定子槽的线圈方向相反，转子铁心采用分块结构，转子铁心块通过由隔磁材料制成的转子盘固定。相较于采用集中绕组配置的传统轴向磁通开关磁阻电机，采用整距绕组的轴向磁通开关磁阻电机结构在相邻的定子极上形成了最短的磁通路径，增大了电机出力，提高了电机的转矩密度，降低了损耗，提高了运行效率。9.本发明将整距绕组配置应用到与轴向磁场开关磁阻电机结构上，形成了一种短磁通路径的轴向磁通开关磁阻电机，具有开关磁阻电机和轴向磁场电机的综合优势。通过适当的磁路设计，定子和转子铁心可以被充分利用。轴向磁通电机通常能够比同样的径向磁通电机提供更高的转矩密度和功率密度。同时轴向长度小的轴向磁通开关磁阻电机适用于对电机体积有特殊要求的应用场合，例如电动汽车轮毂电机。10.本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：11.1、整距绕组和分块转子的采用能获得电机相邻磁极间的短磁通路径，不仅减少转子铁心损耗，而且使按照最小磁通原理运行的开关磁阻电机在不对齐位置的磁路相互抵消，可使不对齐磁链有效降低，从而获得更大的最大最小电感比。与传统采用集中绕组的轴向磁通开关磁阻电机相比，相同体积下，电机的额定功率更大，功率密度和转矩密度都获得了提升。12.2、定子齿极和分块转子铁心均增加了极靴结构，极靴的采用增大了气隙表面积，在一定程度上提高了电机转矩。13.3、双外定子结构冷却方便，具有较大的散热面积，方便热量流通。14.4、内转子3表面无凹凸，环形形状比传统凸极形状的开关磁阻电机具有更低的风阻，损耗更小。转子固定盘303由既不导磁也不导电的环氧树脂材料叠压而成，起到隔离磁路和降低涡流损耗的作用，环氧树脂材料的密度轻，可降低转子转动惯量，提高电机动态响应速度。附图说明15.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。16.图1为本发明实施例所述的整距绕组轴向磁通开关磁阻电机结构的铁心部分示意图；17.图2(a)为本发明实施例提供的电机沿外径圆周展开的左定子nnnsss、右定子sssnnn绕组配置示意图；18.图2(b)为本发明实施例提供的电机沿外径圆周展开的左定子nsnsns、右定子snsnsn绕组配置示意图；19.图3是为本发明实施例提供的电机结构的转子平面图；20.图4(a)为本发明实施例提供的电机b相对齐位置(最大电感位置)的主磁通示意图；21.图4(b)为本发明实施例提供的电机b相不对齐位置(最小电感位置)的主磁通示意图；22.图5为本发明实施例提供的电机组装示意图；23.图6为本发明实施例所述的多目标优化方法流程图；24.图7为本发明实施例提供的采用多目标优化方法优化前后的电磁转矩对比图。具体实施方式25.为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。26.本发明的实施例提供一种整距绕组轴向磁通开关磁阻电机及其多目标优化方法，如图1所示，所述电机铁心部分包括：左侧定子1、右侧定子2、转子3，绕组配置为整距式励磁绕组。27.其中左侧定子铁心1由定子轭101、定子极102、导磁极靴103、定子开槽104组成；转子铁心3由转子极301、导磁极靴302组成；右侧定子铁心2的结构组成和左侧定子铁心1完全相同，由定子轭201、定子极202、导磁极靴203、定子开槽204组成。整距绕组线圈安装在定子开槽104和204中。28.双定子和单转子并行式排列，左侧定子和右侧定子齿极相对的安装在转子盘的两侧，中间设置有气隙。29.在本实施例中，所述的单侧定子极数为ns，分块转子数量为nr，m为电机相数。则有ns＝2mn，nr＝2(m-1)n，其中n为正整数。nr个分块转子沿圆周等间距分布，分布间距为360°/nr。30.在本实施例的优选方案中，所述轴向磁通开关磁阻电机为6p/4q的三相结构，其中，定子极(槽)数目为6p，转子极数目为4q，其中p,q均为正整数。31.例如：如图1所示，采用12槽8极的短磁路双定子轴向磁通开关磁阻电机结构，即单侧定子极数目为12，分块转子数目为8。本权利要求书以相数为3、定子极数为12和转子极数为8的三相12槽8极轴向磁通开关磁阻电机为例，给出所述电机的结构和工作原理。32.在本实施例中，共有两种绕组极性配置：一是如图2(a)所示，左侧定子采用nnnsssnnnsss(2nnnsss)的极性配置，右侧定子采用照sssnnnsssnnn(2sssnnn)的极性配置；二是如图2(b)所示，左侧定子采用nsnsnsnsnsns(6ns)的极性配置，右侧定子采用snsnsnsnsnsn(6sn)的极性配置。该电机由a、b、c三相组成，且电机的各相绕组分布如图所示。图中。当电流从参考方向流入即电流为正方向时,可标注为a+、b+和c+。当电流从参考方向流出即电流为负方向时,可标注为a-、b-和c-。33.在本实施例的优选方案中，所述整距绕组轴向磁通开关磁阻电机采用2nnnsss和2sssnnn的绕组极性配置。34.如图3(a)所示为所述整距绕组轴向磁通开关磁阻电机结构的转子平面截图，可见转子铁心3由8个分块转子沿圆周等间距分布，分布间距为45°。图3(b)为所述整距绕组轴向磁通开关磁阻电机结构在气隙处的俯视图，可见12个定子齿极沿圆周等间距分布，同时定子槽采用的是平行槽结构。35.现有技术中，轴向磁通开关磁阻电机的励磁磁路较长，导致励磁效率低，也增加了损耗。本发明实施例中的整距绕组轴向磁通开关磁阻电机的定子铁心为宽极与窄极交错出现的凸极结构，转子铁心为分块结构，集中式绕组缠绕在定子宽极上，如图2所示，两侧定子在相同位置的槽内绕组线圈极性相反。由于每槽只放置一相绕组线圈的特性，同时转子采用了分块转子结构，励磁磁通在相邻的定子宽极和定子窄极之间形成了短磁通路径。36.定义对齐位置：定义定子槽中线和分块转子极中线对齐位置为电机的对齐位置；37.定义不对齐位置：定义定子槽中线和转子槽中线对齐位置为电机的不对齐位置。38.图4给出了所述整距绕组轴向磁通开关磁阻电机在对齐位置和不对齐位置的磁通路径图。其中图4(a)所示为该电机的对齐位置磁通路径，图4(b)所示为该电机的不对齐位置磁通路径。39.可以发现，电机主磁通由安装在定子槽内的励磁绕组产生，相对位置的定子槽绕组极性相反。左定子槽内绕组产生的磁通由左定子轭101出发，经过左定子极102，并穿过左定子极102与转子块3之间的气隙进入转子块3，之后沿着对称路径经过转子块3与左定子极102之间的气隙到达相邻的左定子极102，回到左定子轭101。形成闭合磁路1。40.同样地，由于相对位置的定子槽极性相反。右定子槽内绕组产生的磁通由左定子轭201出发，经过右定子极202，并穿过右定子极202与转子块3之间的气隙进入转子块3，之后沿着对称路径经过转子块3与右定子极202之间的气隙到达相邻的右定子极202，回到右定子轭201。形成闭合磁路2。41.在不对齐位置时，两个线圈产生的磁通相互抵消。降低了电机的不对齐位置磁链，使电机获得了较大的最大最小电感比。42.如图5所示，本发明所述的整距绕组轴向磁通开关磁阻电机完整组装结构，包括左侧定子1、右侧定子2、转子3、转轴4、轴承5、端盖6、键7、机壳8。其中转子铁心3由转子齿301、导磁极靴302、固定盘303组成。定子铁心1和2与转子铁心3均由硅钢片轴向环绕叠压而成，转子固定盘303由既不导磁也不导电的环氧树脂材料叠压而成，起到隔离磁路和降低涡流损耗的作用。43.将nr个转子铁心块按圆周等距分布安装在转子固定盘303上，将转子3通过键8安装在转轴4上，将整距绕组绕制在左侧定子1和右侧定子2的槽内，在电枢绕组绕制完成后，将左侧定子1和右侧定子2齿极相对分别安装于转子铁心3两侧，并通过轴承5装于转轴4上，随后通过电机端盖6将轴承5的轴向进行固定。其特征在于：整距绕组安装在定子槽内，两块定子相同的槽内线圈极性相反，定转子齿极上有极靴，相邻的分块转子铁心块中间由隔磁材料连接，相邻定子磁极之间形成短磁路。44.本发明还提供了一种整距绕组轴向磁通开关磁阻电机的多目标优化方法。如图6所示，一种优化参数分层的多目标优化方法，能够大幅节约优化时间。45.选取平均转矩、动态转矩脉动和单位质量平均转矩这三个指标为优化目标。46.根据以下公式确定电机的平均转矩tavg：[0047][0048]根据以下公式确定电机的转矩脉动trip：[0049][0050]根据以下公式确定电机的单位质量平均转矩tapm：[0051][0052]其中，n为分析过程转子角度的选取个数，ti为不同角度时的电机的电磁转矩值；tmax为一段采样周期内电机的电磁转矩最大值，tmin为一段采样周期内电机的电磁转矩最小值；mfe为电机铁心质量，mcu为电机绕组线圈质量。[0053]以电机的关键几何尺寸参数为设计变量，其中包括转子极靴长度lrs,定子极靴长度lss,转子槽宽wro,定子槽宽wso,定转子极靴间隔宽度wsro,转子极长度lrp,定子极长度lsp,和定子轭厚lsy。[0054]首先计算各个优化参数对平均电磁转矩、转矩脉动和转矩密度等优化目标的综合灵敏度指标，根据综合灵敏度指标的大小，将优化参数分层为高灵敏度参数和低灵敏度参数。[0055]对于本实施例的8个尺寸结构参数，转子极靴长度lrs,定子极靴长度lss,转子槽宽wro,定子槽宽wso,定转子极靴间隔宽度wsro,转子极长度lrp,定子极长度lsp,和定子轭厚lsy的灵敏度参数分别为0.177，0.248，0.382，0.344，0.254，0.137，0.178和0.160。[0056]选取0.2作为区分高灵敏度和低灵敏度参数的界限，灵敏度指标大于的0.2为高灵敏度参数，灵敏度指标小于的0.2为低灵敏度参数。因此，本实施例选择定子极靴长度lss,转子槽宽wro,定子槽宽wso和定转子极靴间隔宽度wsro为高灵敏度参数，本实施例选择转子极靴长度lrs,转子极长度lrp,定子极长度lsp,和定子轭厚lsy为低灵敏度参数。[0057]对于高灵敏度参数，采用响应表面法建立代理模型结合非支配排序的遗传算法(nsga‑ⅱ)进行优化。首先确定采样点，利用三维有限元方法得到不同参数组合下的设计目标结果，从而建立4个高灵敏度参数关于3个优化目标的二维响应面模型：[0058][0059][0060][0061]然后利用nsga‑ⅱ算法，通过权衡三个优化目标的取值，得到优化解集，从中选取一组满意解作为高灵敏度参数的优化方案。[0062]而对于低灵敏度参数，采用构造田口正交矩阵的方法进行优化。首先确定采样点，利用三维有限元方法得到不同参数组合下的设计目标结果，从而构造出4个低灵敏度参数关于3个优化目标的正交矩阵表，再利用均值法，得到一组最优解作为低灵敏度参数的优化方案。[0063]最后将得到的高灵敏度参数方案结合低灵敏度参数方案，代入到电机有限元模型中，得到设计目标的结果，比较优化方案与初始方案的效果。[0064]图7为采用所述方法得到的优化方案与初始方案的动态转矩波形对比图，可见所述方法能够获得较高电磁转矩和转矩密度，同时获得较小的转矩脉动，实现了三个目标的同步优化，同时节约了优化时间。适用于电机设计领域，尤其适用于优化参数较多的情况下使用。[0065]上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。