(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 202111358264.0 (22)申请日 2021.11.16 (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 30/27(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06N 3/12(2006.01) G06F 111/04(2020.01) (54)发明名称 一种大功率风电磁齿轮箱的中高速级磁齿 轮优化设计方法 (57)摘要 本发明涉及一种大功率风电磁齿轮箱的中 高速级磁齿轮优化设计方法， 属风电领域。 该中 高速级磁齿轮均包括内外转子磁齿轮和调磁环； 选内转子半径Rin2、 内外转子永磁体厚度hin和ho、 调磁铁块厚度hs为待优化的设计变量， 以中高速 级磁齿轮的输出转矩脉动Trip和永磁体转矩密度 D为优化目标， 基于响应曲面实验， 建立优化目标 与待优化的设计变量的二次回归模 型， 将优化设 计问题转化为单目标非线性规划问题， 采用遗传 算法， 得到一组最优的设计变量， 使Trip和D最优。 本发明可减少有限元实验次数， 极大提高中高速 级磁齿轮设计效率， 可生 成唯一最佳的设计参数 组合， 达到降低成本、 提高性能的目的。 权利要求书4页 说明书12页 附图5页 CN 114091330 A 2022.02.25 CN 114091330 A 1.一种大功率风电磁齿轮箱的中高速级磁齿轮优化设计方法， 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； 所述中高速级磁齿轮是所述中速级磁 齿轮、 所述高速级磁齿轮的合称， 两者均包括： 外转子磁齿轮、 内转子磁齿轮、 调磁环； 所述 外转子磁齿轮包括外转子永磁体及外转子铁芯， 所述外转子永磁体粘贴在所述外转子铁芯 的内侧； 所述内转子磁齿轮包括内转子永磁体及内转子铁芯， 所述内转子永磁体粘贴在所 述内转子 铁芯外侧； 所述调磁环包括调磁铁块； 其特 征在于： 采用如下步骤： 步骤1， 选取所述中速级磁齿轮的输出转矩脉动Trip2和转矩密度D2以及所述高速级磁齿 轮的输出转矩脉动Trip3和转矩密度D3作为优化目标； 确定所述中速级磁齿轮的待优化的设 计变量为： 所述中速级磁齿轮的内转子磁齿轮的外半径Rin22及其永磁体的厚度 hin2、 所述中 速级磁齿轮的外转子磁齿轮永磁体的厚度ho2和所述中速级磁齿轮的调磁铁块 的厚度hs2； 确定所述高速级磁齿轮的待优化的设计变量为： 所述高速级磁齿轮的内转子磁齿轮外 半径 Rin23及其永磁体的厚度hin3、 所述高速级磁齿轮的外转子磁齿轮永磁体的厚度ho3和所述高 速级磁齿轮的调磁铁块的厚度hs3； 所述输出转矩脉动Tripi按下式计算： 式中， Timax、 Timin分别为所述中高速级磁齿轮输出转矩Ti的最大值与最小值， 其中下标i ＝2,3； i＝2表示所述中速级磁齿轮， i ＝3表示所述高速级磁齿轮， 下同； 所述转矩密度Di按下式计算： 式中， Ro2i为所述中高速级磁齿轮外转子磁齿轮的外半径； Lefi为所述中高速级磁齿轮 的轴向长度； 步骤2， 基于响应曲面实验分别建立所述优化目标与所述中速级磁齿轮设计变量Rin22、 hin2、 ho2、 hs2以及所述高速级磁齿轮设计变量Rin23、 hin3、 ho3、 hs3的二次回归模型， 并根据判定 系数对所述 二次回归模型的拟合精度进行检验； 步骤3， 确定所述中速级磁齿轮以及所述高速级磁齿轮的各个待优化的设计变量的约 束条件， 并将所述中速级磁齿轮以及所述高速级磁齿轮的优化问题转化为单目标非线性规 划问题， 该问题的数 学表达式为： maxJ2＝max[w12ζ12X12(x2)+w22ζ22X22(x2)] 约束条件： maxJ3＝max[w13ζ13X13(x3)+w23ζ23X23(x3)]权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114091330 A 2约束条件： 式中， J2、 J3分别为所述中速级磁齿轮、 所述高速级磁齿轮的综合性能函数； X12(x2)、 X22 (x2)为所述中速级磁齿轮的目标函数， 分别表示所述中速级磁齿轮的输出转矩脉动Trip2的 倒数、 转矩密度D2的预测值； x2为由所述中速级磁齿轮的各设计变量组成的设计向量， 即： x2 ＝[x12,x22,x32,x42]＝[Rin22,hin2,ho2,hs2]； X13(x3)、 X23(x3)为所述高速级磁齿轮的目标函 数， 分别表示所述高速级磁齿轮的输出转矩脉动Trip3的倒数、 转矩密度D3的预测值， x3为由 所述高速级磁齿轮的各设计变量组成 的设计向量， 即： x3＝[x13,x23,x33,x43]＝[Rin23,hin3, ho3,hs3]； w12、 w22、 w13、 w23为所述优化目标的权重系数， ζ12、 ζ22、 ζ13、 ζ23为所述优化目标的尺度 系数； T20、 T30分别表示所述中速级磁齿轮、 所述高速级磁齿轮输出转矩的目标值； 为 分别表示所述中速级磁齿轮、 所述高速级磁齿轮的转矩限制系数； Rin22u、 Rin22l、 Rin23u、 Rin23l 分别表示所述中速级磁齿轮、 所述高速级磁齿轮内转子磁齿轮外半径的上限与下限； hin2u、 hin2l、 hin3u、 hin3l分别表示所述中速级磁齿轮、 所述高速级磁齿轮内转子磁齿轮永磁体厚度 的上限与下限； ho2u、 ho2l、 ho3u、 ho3l分别表示所述中速级磁齿轮、 所述高速级磁齿轮外转子磁 齿轮永磁体厚度的上限与下限； hs2u、 hs2l、 hs3u、 hs3l分别表示所述中速级磁齿轮、 所述高速级 磁齿轮调磁铁块厚度的上限与下限； 步骤4， 基于步骤2响应曲面实验的结果， 计算步骤3所述权重系数w12、 w22、 w13、 w23以及尺 度系数ζ12、 ζ22、 ζ13、 ζ23的值； 步骤5， 采用遗传算法， 对所述中速级磁齿轮的设计变量进行优化， 得到其最佳设计变 量； 优化方法为： 51)采用遗传算法， 基于自然界生物的进化过程建立种群的更新机制， 对步骤3所述单 目标非线性 规划问题式(5)进行求 解， 得到所述中速级磁齿轮的最佳设计 变量组合； 52)基于步骤51)得到的所述中速级磁齿轮的最佳设计变量组合进行有限元实验验证， 若其优化目标， 即Trip2和D2均满足设计要求， 则进入步骤 6； 否则返回步骤51)， 重 新使用遗传 算法进行求 解； 步骤6， 采用遗传算法， 对所述高速级磁齿轮的设计变量进行优化， 得到所述高速级磁 齿轮的最佳设计 变量； 优化方法为： 61)采用遗传算法， 基于自然界生物的进化过程建立种群的更新机制， 对步骤3所述单 目标非线性 规划问题式(6)进行求 解， 得到所述高速级磁齿轮的最佳设计 变量组合； 62)基于步骤61)得到的所述高速级磁齿轮的最佳设计变量组合进行有限元实验验证， 若其优化目标， 即Trip3和D3均满足设计要求， 则结束； 否则返回步骤61)， 重新使用遗传算法 进行求解。 2.根据权利要求1所述的一种大功率风电磁齿轮箱的中高速级磁齿轮优化设计方法， 其特征在于， 所述 步骤4的具体方法是： 41)根据步骤2所述拟合精度校验的判定系 数， 合理选择w12的取值， 但不超过0.5， 进一 步确定w22的值为1‑w12；权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114091330 A 3