沈阳工业大学等单位学者提出高速永磁电机多目标优化设计的新方法

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高速永磁电机系统具有功率密度和效率高、体积小、质量轻以及动态响应快等显著优点，能够满足高端装备制造的特殊需求，在军工装备、能源安全及节能减排等多种高速驱动装备领域具有十分广阔的应用前景，如电动汽车、燃气轮机、空气压缩机以及飞轮储能等。然而，由于高速永磁电机的“高速”与“高频”特性，使得高速永磁电机在设计过程中往往需要进行物理场的协同设计，主要包括电磁场、应力场、转子动力学以及温度场。

目前高速永磁电机的设计方法往往是基于有限元的多物理场串行设计，即各个物理场按照顺序依次进行设计，这使得其设计过程越发耗时。此外，在进行多目标优化时，还需要多次调用有限元模型，进而容易产生优化过程中有限元迭代计算不收敛的问题。

近年来，近似模型技术通过数学逼近的方法表示一组输入变量和输出变量之间的关系，已广泛应用于多学科设计领域。近似模型技术在电机的优化领域具有一定的可行性，而高速永磁电机的优化是典型的多物理场非线性设计问题，传统的有限元模型优化设计收敛困难且越发耗时。此外，近似模型的应用同时还将打破以往的高速永磁电机串行设计的桎梏，实现高速永磁电机多物理场的并行优化设计。

为有效解决传统有限元优化设计收敛困难且越发耗时的问题，沈阳工业大学电气工程学院、山东大学电气工程学院、北京航空航天大学、宁波诺丁汉大学的戴睿、张岳、王惠军、张凤阁、张何，在2022年第21期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于多物理场近似模型（MPAM）的高速永磁电机多目标优化设计方法。

图1 高速永磁电机样机

研究人员首先通过正交设计对高速永磁电机进行多物理场样本点采集；其次，构建所提出的多物理场近似模型，并对其进行误差分析，以确保构建模型的近似精度；然后，在多物理场近似模型的基础上，采用非支配排序遗传算法对电机进行多物理场并行优化设计。他们最后研制了一台1.1MW、18000r/min的高速永磁电机，并进行了相关的实验，验证了所提出的高速永磁电机优化设计方法的可行性。

研究人员指出，该方法采用多物理场近似模型进行多物理场的并行计算，并在优化过程中直接调用多物理场近似模型，可以有效地解决有限元模型计算耗时的问题，同时也可以避免有限元优化过程中有限元模型迭代计算收敛困难的问题。

本文编自2022年第21期《电工技术学报》，论文标题为“基于多物理场近似模型的高速永磁电机多目标优化设计”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。

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