(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111316690.8 (22)申请日 2021.11.09 (71)申请人 曲阜师范大学 地址 273165 山东省济宁市曲阜市 静轩西 路57号 (72)发明人 秦清海　蔡彬　褚晓广　 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06N 3/12(2006.01) H02K 49/10(2006.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 113/06(2020.01)G06F 111/06(2020.01) (54)发明名称 一种大功率风电磁齿轮箱低速级磁齿轮的 优化设计方法 (57)摘要 本发明涉及一种大功率风电磁齿轮箱低速 级磁齿轮的优化设计方法， 属风电领域。 该低速 级磁齿轮包括内外转子磁齿轮和调磁环； 选内外 转子永磁体厚度hin和hout、 调磁块厚度hs和圆心 角θs及轴向长度Lef为待优化的设计变量， 以低 速级磁齿轮永磁体转矩密度η和输出转矩脉动 Trip为优化目标， 基于CCD实验， 取hin、 hout、 hs、 θs 为优先设计变量， 建立优化目标与优 先设计变量 的二次回归模 型， 将优化设计问题 转化为多目标 非线性规划问题， 采用NSGA ‑II算法， 得到一组最 优的优先设计变量； 依此确定最佳轴向长度Lef， 使η和Trip最优。 本发明可减少有限元 实验次数， 极大提高设计效率， 达到降低成本、 提高性能的 目的。 权利要求书3页 说明书9页 附图5页 CN 114036669 A 2022.02.11 CN 114036669 A 1.一种大功率风电磁齿轮箱低速级磁齿轮的优化设计方法， 所述大功率风电磁齿轮箱 包括低速级磁齿轮、 中速级磁齿轮、 高速级磁齿轮； 所述低速级磁齿轮包括： 外转子磁齿轮、 内转子磁齿轮和调磁环； 所述外转子磁齿轮包括外转子铁芯及外转子永磁体； 所述内转子 磁齿轮包括内转子铁芯及内转子永磁体； 所述调磁环包括调磁铁块和非导磁材料； 其特征 在于： 采用如下步骤： 步骤1， 选取所述低速级磁齿轮的永磁体转矩密度 η和输出转矩脉动Trip为优化目标； 确 定所述低速级磁齿轮的待优化的设计变量为： 所述内转子永磁体的厚度hin、 所述外转子永 磁体的厚度hout， 所述调磁铁块的厚度hs、 所述调磁铁块的圆心角 θs以及所述低速级磁齿轮 的轴向长度Lef； 所述低速级磁齿轮的永磁体的转矩密度 η为 单位体积永磁体的输出转矩， 按 下式计算： 式中， Tin为所述低速级磁齿轮 的输出转矩； Rin2、 Rout1分别表示所述内转子磁齿轮 的外 半径、 所述外转子磁齿轮的内半径； 所述输出转矩脉动Trip按下式计算： 式中， Tmax、 Tmin分别为所述低速级磁齿轮的输出转矩Tin的最大值与最小值； 步骤2， 基于中心复合设计实验， 选取所述设计变量中的4个变量hin、 hout、 hs、 θs作为优先 设计变量， 建立所述优化目标与所述优先设计 变量的二次 回归模型： 式中， X1(x)、 X2(x)为目标函数， 分别表示所述永磁体的转矩密度 η、 输出转矩脉动Trip的 预测值； x为由所述优先 设计变量组成的设计向量， 即： x＝[x1,x2,x3,x4]＝[hin,hout,hs, θs]； α0、 αm、 αmn、 β0、 βm、 βmn为回归系数； m、 n 为正整数； ε1、 ε2为随机误差； 步骤3， 确定每个优先设计变量hin、 hout、 hs、 θs的约束条件， 构建优先设计变量空间， 并将 所述低速级磁齿轮的优化问题转 化为多目标非线性 规划问题， 该问题的数 学表达式为： Object＝{maxX1(x),minX2(x)} 约束条件： 式中， Object表示优化的目标， max  X1(x)表示使目标函数X1(x)最大化， 即找到所述低 速级磁齿轮永磁体转矩密度 η 的最大值， min  X2(x)表示使目标函数X2(x)最小化， 即找到所权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114036669 A 2述低速级磁齿轮输出转矩脉动Trip的最小值； Tin0、 分别为所述低速级磁齿轮的输出转矩 的目标值和转矩限制系数； hinu、 hinl分别为所述内转子磁齿轮永磁体厚度hin的上限与下限； houtu、 houtl分别为所述外转子磁齿轮永磁体厚度hout的上限与 下限； hsu、 hsl分别为所述调磁 铁块厚度hs的上限与下限； θsu、 θsl分别为所述调磁铁块圆心角 θs的上限与下限； 步骤4， 采用非支配排序遗传算法2， 即NSGA ‑II， 利用Pareto占优机制， 进行快速非支配 解集排序， 基于精英策略和个体拥挤度距离选择建立种群的更新机制， 生成所述优先设计 向量x的Pareto 最优解集， 根据设计需求选取一组最优的优先设计 变量； 步骤5， 基于步骤4得出的所述内转子磁齿轮永磁体厚度hin、 所述外转子磁齿轮永磁体 厚度hout， 以及所述调磁铁块的厚度hs和圆心角 θs的最佳值， 对所述低速级磁齿轮的轴向长 度Lef进行参数扫描实验， 在确保所述低速级磁齿轮永磁体的转矩密度 η和输出转矩脉动Trip 满足设计要求的前提下， 确定所述低速级磁齿轮的轴向长度Lef的最佳值。 2.根据权利要求1所述的一种大功率风电磁齿轮箱低速级磁齿轮的优化设计方法， 其 特征在于， 所述 步骤4的具体方法是： 41)假设种群为P， 对所述种群P在优先设计 变量空间进行初始化； 42)进行快速非支配排序， 将整个种群进行分级， 得到各级Pareto集合Z1、 Z2、 Z3、……； 具体方法为： B1)在可行解空间中定义两个变量： 一是支配个体p的所有个体的数量np， 二是被所述p 支配的所有个 体组成的集 合Sp； B2)初始化np、 Sp； 对于所述种群P中的任意个体q， q≠p， 如果p 支配q， 则Sp更新为Sp与q的 集合{q}的并集， 即： Sp＝Sp∪{q}； 若q支配p， 则np更新为np+1； 若np＝0， 则Z1更新为Z1为{p} 集合的并集， 即： Z1＝Z1∪{p}； 遍历所述种群P中的所有个体， 将符合条件的个体p 保存在集 合Z1中， 其中Z1构成第一Pareto前沿解 集； B3)令Pareto 集合的级数i ＝1， 集合Q＝φ， 其中 φ表示空集； B4)若Zi不为空集， 则对于Zi中任意个体p及集合Sp中的任意个体q， nq更新为nq‑1； 若nq ＝0， 则Q更新为Q与集合{q}的并集， 即： Q＝Q∪{q}， 遍历所有个体q， 并将符合条件的个体q 保存在集 合Q中； B5)i更新为i+1， Zi＝Q， 若Zi＝φ， 则所述种群P已分级得到各级Pareto集合Z1、 Z2、 Z3、……； 若Zi不为空集， 则返回步骤B4)； 43)选取数目为M的优良个体进入交配池， 记为集合E， 把Z1的全部个体移入集合E， 若Z1 所含个体的数目小于M， 则继续将Z2的全部个体移入集合E， 以此类推， 直到有某级Pareto集 合中的所有个 体不能全部移入集 合E， 并将此级Pareto 集合记为Zs； 对于Zs中的所有个体， 计算其拥挤度距离， 将Zs中的个体按照其拥挤度距离由大到小进 行递减排序， 然后将排序好的个 体依次放入E中， 直到 E中个体数目为M， 具体为： C1)对Zs中的所有个 体的拥挤度距离初始化， 并按照所述目标函数 X1(x)的值升序排列； C2)对于处在排序边 缘上的个 体给予其选择优势， 即令其拥挤度距离为无穷大； C3)对于处于排序中间的个 体， 其拥挤度距离计算如下： 式中， L(k)、 L(k ‑1)、 L(k+1)分别 为Zs中的第k、 k ‑1、 k+1个个体的拥挤度距离， fmax、 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114036669 A 3