基于遗传算法联合减速器的无刷直流电机优化方法

技术领域

本发明属于无刷直流电机设计技术领域，具体涉及基于遗传算法联合减速器的无刷直流电机优化方法。

背景技术

电动工具凭借操作简单、功能多样、安全可靠、携带方便等优点，可实现手工作业机械化，减轻劳动强度，提高工作效率，因此被广泛应用于建筑、装潢、汽车、电力、园艺等行业。同时无刷直流电机因其功率密度大，转化效率高，寿命长，结构稳定等优势，正逐渐替代传统有刷电机，成为电动工具首选的动力输出源。

无刷直流电机虽然具有较大的功率密度，但大部分情况下其输出转矩无法满足电动工具的使用要求，无法作为直驱电机。因此为了提高整体的输出转矩，会在电机输出端增加传动装置。行星齿轮减速器具有结构紧凑、体积和质量小、传动比范围大、效率高、运转平稳、噪声低等优点，成为电动工具中首选的齿轮传动装置。

无刷直流电机的设计与行星齿轮减速器的设计属于两个学科的领域，在以往传统的选型或者设计中，两者相互独立。在电动工具企业里，要么先是选型确定行星齿轮减速器，后是选型确定合适的无刷直流电机；要么先是选型或设计无刷直流电机，后是选型确定合适的行星齿轮减速器。由于两者之间的耦合性不强，会造成整体性能的浪费，降低了电动工具的效率。

因此，寻找一种基于遗传算法联合减速器的无刷直流电机优化方法具有重大意义。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种基于遗传算法联合减速器的无刷直流电机优化方法，以解决在无刷直流电机设计中忽略传动装置而造成整体效率下降，能耗增加的问题。

本发明提供如下技术方案：

基于遗传算法联合减速器的无刷直流电机优化方法，包括以下步骤：

步骤1、确定行星齿轮减速器初始参数；

步骤2、基于行星齿轮减速器初始参数，确定无刷直流电机初始参数；

步骤3、确定优化变量参数，确定需要优化的目标和约束条件，根据变量参数、目标函数以及约束条件构建遗传算法模型；

步骤4、反复进行选择、交叉、变异操作，直至满足目标函数，得到全局最优解。

进一步的，所述步骤1的具体过程如下：

1.1)计算行星齿轮减速器输出转矩；

1.2)根据行星齿轮减速器输出转速ω

1.3)根据选择的传动比i分配各级传动比i

1.4)根据各级传动比分配各个齿轮齿数；

1.5)根据接触强度初算单级传动的中心距和模数；

1.6)根据齿轮齿数、模数计算齿轮参数。

进一步的，所述步骤2的具体过程如下：

2.1)根据行星齿轮减速器输出转速、转矩和传动比计算无刷直流电机的输出转速ω

2.2)计算无刷直流电机的输出常数；

2.3)计算无刷直流电机的定子内径与堆叠长度；

2.4)根据定子内径与堆叠长度计算无刷直流电机定子相关参数；其中，定子槽口宽度b

2.5)计算无刷直流电机定子槽深h

计算此两个参数需要计算定子槽面积，定子槽面积根据槽内导线数量确定，导线采用双层绕组；计算绕组匝数需要计算额定转速下反电动势。此处定义一个类比变量γ

2.6)计算无刷直流电机有效气隙长度δ

2.7)计算无刷直流电机转子及永磁体尺寸参数，根据经验选择合适的定子齿弧比γ

进一步的，步骤1及步骤2中得到的电机初始参数，其中，减速器的初始参数设计决定了电机的输出转速、转矩和功率，以及减速器与电机两者外形的一致性。

进一步的，所述步骤3中，优化变量参数包括气隙长度、定子内径、永磁体厚度与宽度、绕组直径与堆叠长度；选取目标函数为总质量最小、电机总损耗最小、齿槽转矩最小；约束条件分别是减速器总传动比、定子齿部磁密、定子轭部磁密、转子轭部磁密、绕组电流密度；然后根据电机设计参量组生成非支配排序遗传算法NSGA-Ⅱ的初始种群。

进一步的，所述步骤4中，对所有种群个体按非劣解数大小排序，再对初始种群进行二元或者三元锦标赛选择、交叉和变异操作，产生新的种群。

进一步的，所述步骤4中，对生成新的种群，进行非支配排序和拥挤距离的计算，如果达到最大迭代次数，终止操作得出全局最优解，否则重新进行选择、交叉和变异，直至达到满足要求输出结果。

通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明基于电动工具的使用要求，进行了行星齿轮减速器的参数设计与计算，初步确定总传动比后推导无刷直流电机的输出转矩、转速与功率，然后进行了无刷直流电机的参数设计与计算，最后使用遗传算法进行多目标优化，反复验证行星齿轮减速器与无刷直流电机是否匹配并符合设计要求，确定了一种基于遗传算法联合减速器的无刷直流电机优化方法；该方法将传动系统的影响纳入了无刷直流电机的设计中，增强了无刷直流电机与行星齿轮减速器的耦合性，实现了多系统的联合设计，在包含传动装置的电机设计领域中具有巨大的应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例中，基于遗传算法联合减速器的无刷直流电机优化方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合说明书附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

如图1所示，本发明实施例所设计的行星齿轮减速器为NGW型三级传动减速器，其基础参数确定过程包括：

步骤1，根据电动工具实际使用所需要的力来计算行星齿轮减速器输出转矩：

T

其中，F为执行机构末端力，L为执行机构末端到减速器输出端距离；

步骤2，电动工具单次运行所需速度得到行星齿轮减速器输出转速ω

步骤3，根据传动比分配协调性原则、等强度原则、等浸油深度原则和优化原则，查阅《机械设计手册》(成大先)，分别选取高速级传动比i

步骤4，根据《机械设计手册》(成大先)，查表选择常用行星轮数对应的齿轮齿数，假设已知各级行星轮数C

步骤5，按照接触强度计算各级传动的中心距和模数，公式如下：

中心距：

模数：

其中，T

步骤6，计算齿轮基本参数，得到行星齿轮减速器初始参数，公式如下：

分度圆直径：d＝mz；

齿顶高：

齿根高：

齿高：h＝h

齿顶圆直径：d

齿根圆直径：d

中心距：

基圆直径：d

步骤7，根据行星齿轮减速器初始参数，得到无刷直流电机设计目标：输出转速ω

步骤8，计算无刷直流电机的输出常数、定子内径与堆叠长度

G＝k

其中，k

定子内径：

其中，ar为堆叠长度与极距之比，p为极数；

步骤9，计算无刷直流电机的其他相关参数，公式如下：

总气隙通量：

单极磁通：

定子齿中的最大磁通量：

定子齿宽：

定子槽肩宽：

定子轭宽度：

其中，N

步骤10，计算无刷直流电机的定子槽深h

相有效匝数：

单线圈匝数：

单根导线面积：cAsc＝I

定子槽线圈臂总面积：gAca＝N

其中，N

步骤11，计算无刷直流电机的有效气隙长度δ

根据经验初步选择气隙长度δ；

槽宽缩减系数：

卡特系数：

有效气隙长度：δ

其中，b

步骤12，计算无刷直流电机的转子及永磁体，公式如下：

永磁体厚度：

永磁体磁场：

永磁体磁通密度：

永磁体宽度：

转子轭宽度：

其中，μ

步骤13，根据计算得到的电机初始参数，使用Ansys Maxwell建立电机参数化模型，包括气隙长度、定子内径、永磁体厚度与宽度、绕组直径与堆叠长度，分别对电机的质量、损耗和齿槽转矩产生较大影响；

电机的总质量可表示为：

F

其中，M

电机的总损耗可表示为：

F

其中，P

F

步骤14，约束条件为：

110≤g

其中，g

步骤15，惩罚函数的表达式为：

其中，K为惩罚系数，控制惩罚函数对目标函数的惩罚力度。ω

步骤16，从设计空间中任意选择大小为N的初始化种群P

汇集父代和子代种群T

步骤17，如果达到最大迭代次数或停止标准，则停止该过程，并得出全局最优解。否则n＝n+1，重复步骤16。

步骤18，将电机参数化模型中的相关参数修改为最优解，利用Ansys Maxwell进行有限元仿真校验。

本实施例在传统电机优化方法中加入了减速器的传动比参数，在满足减速器约束条件下进行了电机质量、损耗和转动平稳方面的优化设计，在包含传动装置的电机设计领域中具有巨大的应用价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。