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磁路的拓扑优化磁路是电机、变压器等磁动力设备中储存和传递磁能的重要组成部分。
磁路的优化设计可以提高设备的性能和效率。
本文将重点介绍磁路拓扑优化的原理和方法，并讨论其在不同领域的应用。
磁路的拓扑优化旨在改善磁场的分布和传递，以提高设备的效率和性能。
它涉及多个方面的设计，如磁路的形状、材料选择、线圈设计等。
通过优化磁路的拓扑结构，可以减小磁阻、提高能量传输效率，从而提高设备的工作效率和性能。
在磁路的拓扑优化中，一个重要的考虑因素是磁场分布。
磁场分布的好坏直接影响设备的性能。
磁场分布的均匀性和强度是磁路拓扑优化的主要目标之一。
通过采用合适的磁路结构和材料，可以改善磁场的均匀性和强度，从而提高设备的性能。
另一个重要的考虑因素是磁路的磁阻。
磁阻是磁路中阻碍磁场传递的因素。
减小磁阻可以提高能量传输的效率。
在磁路拓扑优化中，可以通过改变磁路的形状、材料和线圈设计等方式来减小磁阻。
例如，增加磁路的截面积可以减小磁阻，提高设备的效率和性能。
磁路的材料选择也是磁路拓扑优化的重要内容之一。
不同材料的磁导率和磁饱和特性会直接影响磁路的性能。
通过选择合适的材料，可以改善磁路的磁导率和磁饱和特性，从而提高设备的效率和性能。
例如，使用高磁导率和低磁饱和特性的材料可以提高设备的工作效率和性能。
在磁路拓扑优化中，线圈设计也是一个关键的方面。
线圈是控制磁场分布和传递的主要部件。
通过优化线圈的设计，可以改善磁场的均匀性和强度，从而提高设备的性能。
线圈的设计包括线圈的形状、匝数、截面积等多个参数的选择。
通过合理地选择这些参数，可以实现更好的磁场分布和传递效果。
磁路拓扑优化已经在多个领域得到了广泛的应用。
在电机设计中，优化磁路的拓扑结构可以提高电机的转矩和效率。
在变压器设计中，优化磁路的拓扑结构可以提高变压器的传输效率和功率密度。
在电磁兼容性设计中，优化磁路的拓扑结构可以减小设备的电磁辐射和互感干扰。
总之，磁路的拓扑优化是提高磁动力设备性能和效率的重要手段。
第二章开关磁阻电机及其调速系统2.1 开关磁阻电机的发展概况磁阻式电机诞生于160年前，一直被认为是一种性能不高的电机。
然而通过近20年的研究与改进，使磁阻式电机的性能不断提高，目前已能在较大功率范围内不低于其它型式的电机[9]。
70年代初，美国福特电动机（Ford Motor）公司研制出最早的开关磁阻电机调速系统。
其结构为轴向气隙电动机、晶闸管功率电路，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，特别适用于蓄电池供电的电动车辆的传动。
70年代中期，英国里兹（Leeds）大学和诺丁汉（Nottingham）大学，共同研制以电动车辆为目标的开关磁阻电机调速系统。
样机容量从10W至50KW，转速从750 r/min至10000 r/min，其系统效率和电机利用系数等主要指标达到或超过了传统传动系统。
该产品的出现，在电气传动界引起了不小的反响。
在很多性能指标上达到了出人意料的高水平，整个系统的综合性能价格指标达到或超过了工业中长期广泛使用的一些变速传动系统。
近年来，国内外已有众多高校、研究所和企业投入了开关磁阻电机调速系统的研究、开发和制造工作。
至今已推出了不同性能、不同用途的几十个系列的产品，应用于纺织、冶金、机械、汽车等行业中。
目前，在汽车行业意大利FIAT公司研制的电动车和中国第二汽车制造厂研制的电动客车都采用了开关磁阻电机。
SRM是没有任何形式的转子线圈和永久磁铁的无刷电动机，它的定子磁极和转子磁极都是凸的。
由于SRM具有集中的定子绕组和脉冲电流，其功率变换器可以采用更可靠的电路拓扑形式。
SRM具有简单可靠、在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、可四象限运行、响应速度快、成本较低等优点，这是其它调速系统难以比拟的，作为具有潜力的电动车电气驱动系统日益受到重视。
然而目前SRM还存在转矩波动大、噪声大、需要位置检测器、系统非线性等缺点，所以，它的广泛应用还受到限制。
2.2 开关磁阻电机的基本结构与特点开关磁阻电机为定、转子双凸极可变磁阻电机。
分析极弧系数对开关磁阻电机性能的影响目前环境污染严重，能源储量减少，发展新型清洁的电动汽车的前景和市场是越来越受到关注了。
与直流电机、永磁同步电机、交流异步机等相比，开关磁阻电机具有结构简单、运行可靠、调速性能优良、成本低等优点，非常适合于电动汽车驱动。
开关磁阻电机是一种新型的特种电机，具有双凸极结构、体积较小、运行效率高、低速启动力矩大、可实现四象限运行等特点。
由于开关磁阻电机的工作原理与结构不同于传统电机并且关于开关磁阻电机的设计和计算方面的文献较少，所以在设计中有许多可以影响到电机的运行性能。
其中以极弧系数影响较为显著，运用Ansoft仿真软件详细分析了开关磁阻电机极弧系数对电机性能的影响，电机关键的性能参数包括槽满率、相有效电流、相电流密度、额定转速、效率和额定转矩，运用控制变量法逐个分析极弧系数对电机性能的影响。
1 电机模型参数的计算通过开关磁阻电机的基本原理和设计要求的需要，运用MathCAD软件对四相8/6极5KW电机进行定转子以及电机轴的结构尺寸进行计算。
计算得到电机各个参数为电机相数为4、转1/ 3子极数6、轴径32mm、定子外径155mm、定子軛高10mm、定子内径85.8mm、转子轭高12mm，同时根据仿真研究，在ansof 中RMxprt模块下，构建模型。
2 弧系数的理论分析为保证自起动能力，极弧设计时，相邻相电感在上升区要有重叠。
极弧满足的必要条件为式中βs代表定子极弧，βr代表转子极弧。
只有在满足上式情况下，电机才具备转子处于任何位置都有正反方向自起动能力，否则只有单方向自起动能力，可用如下图表示。
A点时，定、转子极弧最小，铁芯质量最小，节省材料；B点时，定子极弧最小，定子槽大；C点时，定子极弧等于定子极距，无意义；CB边上，定、转子极弧满足βs+βr=τs，由于NrNs时会增加开关频率，因此在选取定转子极弧时应在三角形ADB区域内，使βsβr。
3 仿真分析在其他条件不发生变化的情况下对不同的定子极弧系数仿真数据对比分析4从表中可以看出，定子极弧系数增大，相电流增大，电流密2/ 3度增加，增加量较大；槽满率增大是由于定子极弧系数变大，定子极变宽，定子槽变小；定子极弧系数增大，定、转子极重叠面积增大，磁通量增加，由于绕组匝数不变，磁链也会增加，额定转矩随磁链增大而增大；转矩增加，转速明显降低，效率降低约0.5%。
表２．１常见电机主要参数的典型取值Ｔａｂｌｅ２－ｌＴｈｅｍａｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｙｐｉｃａｌｖａｌｕｅｓｏｆｃｏｍｍｏｎｍｏｔｏｒ相数ⅣｓＭ见／Ｄ，８ｓ８ｔ三相６４Ｏ．５３００３２。
三相１２８０．５７１６。
１５。
四相８６０．５３２３０２１。
２．铁心长度与转子外径的比值兄，定义五讹，其中厶是铁心长度，名的取值严重影响着电机的性能指标和经济指标，当取值较大时，电机较细长，电机绕组端部的长度占整个绕组的比例相对很小，因此电机的整体铜量较少，这种细长的铁心也使端部磁场的影响减弱，这样一来，在二维模型下计算得到的磁化曲线的误差减小。
同时电机的转动惯量较小，对电机的起动和调速性能有很好的帮助，但也使得电机的通风条件变差；反之，当比值较小时，电机相对较粗短，此时的情况正好相反幢引。
参考中小型交流电机的经验数据，兄一般取值为Ｏ．５～３．０。
本文取值为１．２，即铁心长度ｌａ＝；ｔ．Ｄａ＝１３５．５ｍｍ３．开关磁阻电机实际上存在着两个气隙，通常提到的气隙ｇ是指定子极表面与转子磁极表面之间空气的距离，也称为第一气隙，另一个气隙∥指的是定子磁极表面到转子槽底之间的气隙，通常被称为第二气隙，他们分别影响着电机电感的最大值和最小值。
小型电机的气隙通常不小于０．２５ｍｍ，为了减小电机的振动和噪声，应该适当的增大气隙的取值，一般情况下，开关磁阻电机的气隙等于或者稍微小于同容量的异步电机的气隙船¨。
综合实际，取气隙ｇ＝０．４ｍｍ。
４．选取转子轭高ｋ时，应保证轭部铁心出现最大磁通密度时不会达到过饱和，考虑到存在两相以上绕组同时导通的情况，轭高较好的取值是：ｈＣｉ＂＝（１．２－１．４）等（２－２４）式中，ｋ是转子的极宽，在不影响转轴强度情况下，ｋ可以取的相对较大的值，本文取ｈ。
：１５．７７ｍｍ，定子轭高ｈ。
的选取同转子轭高相同。
５．每相绕组串联匝数的确定。
由开关磁阻电机的方程可知，每相绕组的·串联匝数如公式（２－２５）所示通过上面公式计算得Ｎｐｈ＝７６。
基于GABP-NSGA-Ⅱ的开关磁阻电机系统级多目标优化设计陈刚;邓琪
【期刊名称】《湖南工业大学学报》
【年(卷),期】2024(38)3
【摘要】为提升开关磁阻电机(SRM)的系统驱动性能,提出一种基于遗传算法(GA)优化反向传播(BP)神经网络和非支配排序遗传算法(NSGA-II)相结合的多目标优化设计方法,旨在降低其转矩脉动、提高其平均转矩和效率。
通过灵敏度分析,选择对开关磁阻电机优化目标影响较大的3个本体参数(匝数、转子极弧系数、气隙)和两个控制参数(开通角、关断角)作为决策变量,采用有限元分析、GA-BP法建模和NSGA-II算法进行多目标寻优,得到最优解。
仿真结果表明,运用GA-BP-NSGA-II 优化设计方法对提升开关磁阻电机的系统驱动性能有显著效果。
【总页数】6页(P32-37)
【作者】陈刚;邓琪
【作者单位】湖南工业大学电气与信息工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM352
【相关文献】
1.开关磁阻电机设计及多目标优化方法的研究
2.飞轮储能用磁悬浮开关磁阻电机多目标优化设计
3.基于NSGA-Ⅲ的开关磁阻发电机多目标优化设计
4.基于文化粒子
群算法的开关磁阻电机多目标优化设计5.“双碳”目标下支撑新型电力系统的新能源场站多能互补基地建设设想
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开关磁阻电机多目标协同优化设计宋受俊;葛乐飞;张蔓【摘要】针对开关磁阻电机存在多变量、强耦合、高非线性等特点以及传统方法较难快速而准确地获得其最优设计方案的问题，引入了多目标协同优化设计方法。
对协同优化算法进行了改进，提出了新型动态松弛因子法以及最优保留策略，在保证算法收敛性的同时，提高了其收敛速度及精度。
以效率及转矩脉动为目标，利用改进型协同优化算法对开关磁阻电机的初始设计方案进行了优化，得到了关键几何尺寸和控制参数的全局最优取值。
针对优化方案功率密度和热负荷较高的问题，设计了一个定、转子双水冷系统，并通过集中参数热网络模型证明了电机主要部位温度在工程允许范围之内。
分析结果表明，改进型协同优化算法的引入达到了提升电机效率并降低其转矩脉动的目的。
%Switched reluctance machine( SRM) has multi-variable, strong coupling and highly nonlinear characteristics, and it’ s not easy to find optimal design scheme quickly and accurately by traditional methods. To solve this problem, multi-objective collaborative optimal design method was introduced. Col-laborative optimization algorithm was improved, and novel dynamic relaxation factor method and elitist strategy were proposed to enhance the convergence speed and accuracy of the algorithm with guarantee of its convergence. Improved collaborative optimization algorithm was used to optimize the efficiency and torque ripple of the initial design scheme of SRM, and the global optimum values of key geometric dimen-sions and control parameters were obtained. According to the high power density and thermal load ofthe optimal scheme, a stator and rotor dual water cooling system wasdesigned. By using lumped parameter thermal network model, the temperatures of some important parts of SRM were verified to be acceptable for practical applications. The results of analysis show that application of improved collaborative optimiza-tion algorithm can increase the efficiency of the machine and decrease its torque ripple simultaneously.【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】8页(P68-75)【关键词】磁阻电机;多目标优化;协同算法;动态松弛法;最优保留策略;水冷系统;热网络模型【作者】宋受俊;葛乐飞;张蔓【作者单位】西北工业大学自动化学院，陕西西安710072;西北工业大学自动化学院，陕西西安710072;西北工业大学自动化学院，陕西西安710072【正文语种】中文【中图分类】TM352作为一种极具竞争力的新型机电一体化设备，开关磁阻电机（SRM）具有结构简单坚固、调速范围宽、起动转矩大、控制灵活、可靠性较高、成本较低以及适应恶劣环境等诸多性能优势［1］，在航空工业［2］、电动汽车［3］、新能源发电［4］、伺服系统［5］，家用电器［6］等领域具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。
