定子励磁电机由于具有高可靠性、易冷却、宽调速范围和无刷结构等优势在电机领域备受关注。永磁双凸极电机和电励磁双凸极电机是两种典型的定子励磁电机，然而单一的励磁源使得电机应用受到限制。“混合励磁”技术同时引入永磁磁钢和直流励磁线圈作为励磁源，有效地缓解了直流偏置饱和效应，获得了很好的输出性能。

电机的本体优化是一个多目标、非线性、强耦合问题，槽口永磁型混合励磁电机由于定子槽内绕组与永磁体的耦合对优化设计提出了更高的要求，难点在于精确且快速地建立多个优化目标和多个本体结构之间的数学模型。为克服解析建模法精度低、有限元分析法效率低、试验设计法不具备全局最优性的问题，结合智能算法的多目标优化成为了重要的技术手段之一。

相关研究虽然对电机进行了优化，但优化目标普遍不多，优化过程的本质还是把多目标的优化转变成单目标的函数优化问题，在四目标优化问题中很容易产生畸形解，优化结果缺乏全面性。

为进一步提升五相混合励磁双凸极电机的功率密度和过载能力，上海电力大学电气工程学院的赵耀、徐笠等，提出一种五相20/18极的拓扑结构，对电机的空载特性和功率特性进行分析，确定初始优化参数和目标后进行六参数四目标的分层分期优化。

图1 20/18极混合励磁电机结构

研究者根据此类电机定子槽面积有限的特点，以定子槽面积的分配为切入点，兼顾了工业制造中的实际问题，提出了基于该电机结构的多目标优化方法。他们结合正交试验设计法和综合灵敏度分析对电机的本体结构参数进行分层优化，根据灵敏度进行分层优化在近年来的研究中也有所提及，但大多只是简单运用一个灵敏度计算公式，难以摆脱耦合的固定尺寸的影响，本研究者结合了正交试验设计法，既保证了准确度又提高了设计效率。

图2 算法流程

面对四个优化目标给优化流程带来的更高要求，他们采用仿真数据库建模和智能算法对模型优化的思路，大大减少了有限元的仿真量，并运用了改进的NSGA-Ⅱ对电机的数学模型进行了分期优化，更适合多目标的优化场合，在优化后期剔除了畸形解，使根据迭代出来的最优解设计出的电机结构具有更均衡的输出性能。

研究分析结果表明，通过优化，电机输出功率提高了9.2%，电枢铜损降低了24.3%，输出电压脉动降低了27.2%，输出转矩脉动降低了13.3%，样机的实测数据也基本保持一致，这表明本电机的设计和优化是正确有效的。

图3 实验样机和实验平台

本工作成果发表在2024年第22期《电工技术学报》，论文标题为“五相混合励磁双凸极电机多目标分层分期优化设计”。本课题得到国家自然科学基金、上海市青年科技启明星计划和上海市自然科学基金的支持。