一種新型力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明一種新型力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，屬于電機(jī)智能優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，采用有限元分析系統(tǒng)對引入的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行建模和轉(zhuǎn)矩分析取代傳統(tǒng)的電機(jī)數(shù)學(xué)模型分析計(jì)算，使得計(jì)算結(jié)果誤差小，精確度高；本發(fā)明提出變權(quán)重免疫克隆選擇算法，采用變權(quán)重機(jī)制后，單目標(biāo)函數(shù)之間的權(quán)重會隨著算法的運(yùn)行而不斷地調(diào)整，其中接近于設(shè)計(jì)要求的單目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重會變小，偏離要求較大的單目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重繼續(xù)加大，從而加快了算法的收斂速度，節(jié)省了大量的不必要的尋優(yōu)時(shí)間，更快的得到最優(yōu)結(jié)果；此外，該算法能有效的保持種群的多樣性，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)全局搜索和局部搜索，有助于防止進(jìn)化早熟和搜索陷于局部極小值，可以解決復(fù)雜的非線性問題。
【專利說明】一種新型力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電機(jī)智能優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種新型力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，電機(jī)的計(jì)算分析方法主要有集中參數(shù)的磁路分析法和分布參數(shù)的電磁理論法，有限元分析法；集中參數(shù)的磁路分析法，理論計(jì)算容易，但是計(jì)算誤差較大，為了彌補(bǔ)誤差而引入的修正參數(shù)需要大量的工程試驗(yàn)獲得，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；分布式參數(shù)電磁場理論方法理論計(jì)算復(fù)雜，同時(shí)不能解決復(fù)雜的邊界條件及材料的非線性因素等。
[0003]但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對電機(jī)的分析計(jì)算提出了更高的要求；電機(jī)的單機(jī)容量不斷提高，各種特殊類型的電機(jī)層出不窮，電磁結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，用電路和磁路的分析方法就越來越顯得不能滿足分析計(jì)算的需求；生產(chǎn)中的某些實(shí)際問題得不到很好解決，如汽輪發(fā)電機(jī)端部漏磁場；大型電機(jī)和變壓器的局部過熱；有些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電機(jī)如水磁電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等都無法精確計(jì)算；當(dāng)前具體的電機(jī)模型往往通過計(jì)算機(jī)有限元分析軟件進(jìn)行有限元分析，簡單有效，且計(jì)算精度高。
[0004]傳統(tǒng)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)采用的優(yōu)化算法是一種基于設(shè)計(jì)變量可微性的數(shù)值方法；主要有直接搜索法和隨機(jī)搜索法兩種尋優(yōu)模式，其中經(jīng)典尋優(yōu)策略有Powell法、單純形法、SUMT罰函數(shù)法、可變?nèi)莶罘ê吞荻确ǖ鹊?，雖然傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略在指導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)的實(shí)踐中已經(jīng)取得一定成果。但是仍然存在許多問題，譬如優(yōu)化結(jié)果與初始解的選擇有密切關(guān)系；優(yōu)化算法往往收斂于初始值附近的局部極值點(diǎn)，難以獲得理想的全局最優(yōu)結(jié)果；另外對離散變量的處理也存在一定困難；電機(jī)的建模和優(yōu)化設(shè)計(jì)都是具有噪聲情況下的多模空間中的多維優(yōu)化問題，傳統(tǒng)的解析和數(shù)值方法所需要的目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)良特性已不復(fù)存在，因此，傳統(tǒng)優(yōu)化方法無法輕易或準(zhǔn)確地完成電機(jī)這一多維多模優(yōu)化任務(wù)。
[0005]因新型力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)異于普通電機(jī)，采用傳統(tǒng)的磁路分析方法，需要更多的工程經(jīng)驗(yàn)，對結(jié)構(gòu)參數(shù)的修正，也只是通過試湊的方法，計(jì)算的誤差大；采用有限元法可以保證對電機(jī)模型計(jì)算的精確度，但在進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算量大，人工耗時(shí)也多。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種新型力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，以達(dá)到提高計(jì)算精確性，簡化處理過程，減小工作量的目的。
[0007]—種新型力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，包括以下步驟:
[0008]步驟1、根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定目標(biāo)電機(jī)永磁體圓心角、轉(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度最大值和采樣轉(zhuǎn)動(dòng)角度，所述的圓心角的取值范圍為20°?50°，轉(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的取值范圍為0°?30°，采樣轉(zhuǎn)動(dòng)角度根據(jù)實(shí)際需求而定，即每次采樣轉(zhuǎn)子所旋轉(zhuǎn)的角度；
[0009]步驟2、采用有限元分析法對目標(biāo)電機(jī)進(jìn)行分析，確定電機(jī)每次轉(zhuǎn)動(dòng)后的轉(zhuǎn)矩值，每次轉(zhuǎn)動(dòng)角度為設(shè)定的采樣轉(zhuǎn)動(dòng)角度，具體如下:
[0010]步驟2-1、確定目標(biāo)電機(jī)參數(shù)，包括定子鐵芯外徑、定子鐵芯內(nèi)徑、轉(zhuǎn)子鐵芯外徑、轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)徑、轉(zhuǎn)子磁極厚度、定子磁極厚度、氣隙長度、鐵芯長度、定子極對數(shù)、定子磁及對應(yīng)弧度、轉(zhuǎn)子極對數(shù)和轉(zhuǎn)子磁極對應(yīng)弧度，根據(jù)上述電機(jī)參數(shù)構(gòu)建目標(biāo)電機(jī)模型；
[0011]步驟2-2、將目標(biāo)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)采樣轉(zhuǎn)動(dòng)角度；
[0012]步驟2-3、采用有限元分析法對目標(biāo)電機(jī)模型側(cè)面結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格邊長為
0.0Olm ~0.003m: [0013]步驟2-4、設(shè)定網(wǎng)格邊界條件，即確定位于轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)徑圓周和定子鐵芯外徑圓周的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，通過上述節(jié)點(diǎn)作圓周的切線，將電機(jī)產(chǎn)生的磁力線沿切線分解，設(shè)置分解后垂直于切線方向的矢量磁位為零，即將電機(jī)內(nèi)部磁力線約束在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)徑圓周和定子鐵芯外徑圓周之間；
[0014]步驟2-5、設(shè)置一個(gè)圓環(huán)將定子和轉(zhuǎn)子之間的空氣隙平均分為兩層，將該圓環(huán)作為路徑，并將位于該路徑上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)磁通密度進(jìn)行積分，獲得該采樣轉(zhuǎn)動(dòng)角度下的目標(biāo)電機(jī)轉(zhuǎn)矩；
[0015]步驟2-6、將目標(biāo)電機(jī)轉(zhuǎn)子按同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)采樣轉(zhuǎn)動(dòng)角度，返回執(zhí)行步驟2-2至步驟2-5，獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后的電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩，直至達(dá)到轉(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度最大值；
[0016]步驟3、確定理想狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)系，進(jìn)而獲得每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度下電機(jī)的理想轉(zhuǎn)矩；
[0017]步驟4、將不同采樣角度下，理想轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩之間的均方差取值最小作為目標(biāo)，將兩兩相對的永磁體圓心角之差在設(shè)定范圍內(nèi)和定子軛部磁密在設(shè)定范圍內(nèi)作為約束條件，并采用變權(quán)重免疫克隆選擇算法進(jìn)行優(yōu)化，獲得電機(jī)永磁體圓心角的最優(yōu)值，具體如下:
[0018]步驟4-1、以不同采樣角度下，理想轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩之間的均方差取值最小作為目標(biāo)函數(shù)，將兩兩相對的永磁體圓心角之差在設(shè)定范圍內(nèi)和定子軛部磁密在設(shè)定范圍內(nèi)作為約束條件，構(gòu)建目標(biāo)電機(jī)的多目標(biāo)模型；
[0019]目標(biāo)電機(jī)的多目標(biāo)模型如下:
[0020]
【權(quán)利要求】
1.一種新型力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定目標(biāo)電機(jī)永磁體圓心角、轉(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度最大值和采樣轉(zhuǎn)動(dòng)角度； 所述的圓心角的取值范圍為20°~50°，轉(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的取值范圍為0°~30°，采樣轉(zhuǎn)動(dòng)角度根據(jù)實(shí)際需求而定，即每次采樣轉(zhuǎn)子所旋轉(zhuǎn)的角度； 步驟2、采用有限元分析法對目標(biāo)電機(jī)進(jìn)行分析，確定電機(jī)每次轉(zhuǎn)動(dòng)后的轉(zhuǎn)矩值，每次轉(zhuǎn)動(dòng)角度為設(shè)定的采樣轉(zhuǎn)動(dòng)角度，具體如下: 步驟2-1、確定目標(biāo)電機(jī)參數(shù)，包括定子鐵芯外徑、定子鐵芯內(nèi)徑、轉(zhuǎn)子鐵芯外徑、轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)徑、轉(zhuǎn)子磁極厚度、定子磁極厚度、氣隙長度、鐵芯長度、定子極對數(shù)、定子磁及對應(yīng)弧度、轉(zhuǎn)子極對數(shù)和轉(zhuǎn)子磁極對應(yīng)弧度，根據(jù)上述電機(jī)參數(shù)構(gòu)建目標(biāo)電機(jī)模型； 步驟2-2、將目標(biāo)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)采樣轉(zhuǎn)動(dòng)角度； 步驟2-3、采用有限元分析法對目標(biāo)電機(jī)模型側(cè)面結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格邊長為.0.0Olm ~0.003m: 步驟2-4、設(shè)定網(wǎng)格邊界條件，即確定位于轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)徑圓周和定子鐵芯外徑圓周的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，通過上 述節(jié)點(diǎn)作圓周的切線，將電機(jī)產(chǎn)生的磁力線沿切線分解，設(shè)置分解后垂直于切線方向的矢量磁位為零，即將電機(jī)內(nèi)部磁力線約束在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)徑圓周和定子鐵芯外徑圓周之間； 步驟2-5、設(shè)置一個(gè)圓環(huán)將定子和轉(zhuǎn)子之間的空氣隙平均分為兩層，將該圓環(huán)作為路徑，并將位于該路徑上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)磁通密度進(jìn)行積分，獲得該采樣轉(zhuǎn)動(dòng)角度下的目標(biāo)電機(jī)轉(zhuǎn)矩: 步驟2-6、將目標(biāo)電機(jī)轉(zhuǎn)子按同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)采樣轉(zhuǎn)動(dòng)角度，返回執(zhí)行步驟2-2至步驟2-5，獲得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)后的電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩，直至達(dá)到轉(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度最大值； 步驟3、確定理想狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)系，進(jìn)而獲得每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)角度下電機(jī)的理想轉(zhuǎn)矩； 步驟4、將不同采樣角度下，理想轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩之間的均方差取值最小作為目標(biāo)，將兩兩相對的永磁體圓心角之差在設(shè)定范圍內(nèi)和定子軛部磁密在設(shè)定范圍內(nèi)作為約束條件，并采用變權(quán)重免疫克隆選擇算法進(jìn)行優(yōu)化，獲得電機(jī)永磁體圓心角的最優(yōu)值，具體如下:步驟4-1、以不同采樣角度下，理想轉(zhuǎn)矩與實(shí)際轉(zhuǎn)矩之間的均方差取值最小作為目標(biāo)函數(shù)，將兩兩相對的永磁體圓心角之差在設(shè)定范圍內(nèi)和定子軛部磁密在設(shè)定范圍內(nèi)作為約束條件，構(gòu)建目標(biāo)電機(jī)的多目標(biāo)模型； 目標(biāo)電機(jī)的多目標(biāo)模型如下:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于:步驟4-1所述的權(quán)重W1, W2, , Wn,計(jì)算公式如下:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于:步驟3所述的確定理想狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子相對于定子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)系，公式如下:
y = 1.808x+7 (4) 其中，y表示理想狀態(tài)下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，χ表示理想狀態(tài)下的電機(jī)永磁體圓心角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于:步驟2-5所述的獲得該采樣轉(zhuǎn)動(dòng)角度下的目標(biāo)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，計(jì)算公式如下:
【文檔編號】H02P21/14GK104038135SQ201410299095
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】李勇, 趙新華, 王昱, 任明旭, 施艷春 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)