數(shù)值計算與解析分析相結(jié)合參數(shù)協(xié)同優(yōu)化電機設(shè)計方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電氣【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及數(shù)值計算與解析分析相結(jié)合參數(shù)協(xié)同優(yōu)化電機設(shè)計方法，采用數(shù)值計算研究電機內(nèi)電磁、溫度、流體、熱應(yīng)力、振動、噪聲等物理參量變化，歸納出以結(jié)構(gòu)件尺寸為變量的電磁性能解析表達函數(shù)簇，不同組件最高工作溫度和最大溫差解析函數(shù)，最大熱應(yīng)力解析表達函數(shù)，電機電磁噪聲變化函數(shù)，組件不同方向最大振動模態(tài)值和固有頻率的解析表達函數(shù)，進而統(tǒng)籌綜合考慮電機各方面性能開展結(jié)構(gòu)件尺寸的精細化設(shè)計，大幅度提高各項性能指標計算準確性；采用非均衡相對雙向加權(quán)方法改造目標函數(shù)，消除了不同性能指標本身數(shù)值大小對結(jié)算結(jié)果的影響；在智能優(yōu)化算法中引入了量子計算，使算法具有更好的種群多樣性，全局尋優(yōu)能力和更快的收斂速度。
【專利說明】數(shù)值計算與解析分析相結(jié)合參數(shù)協(xié)同優(yōu)化電機設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電氣【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及數(shù)值計算與解析分析相結(jié)合參數(shù)協(xié)同優(yōu)化電機設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電機的氣隙大小、齒槽形狀等結(jié)構(gòu)不僅影響到電機的磁路結(jié)構(gòu)和輸出性能參數(shù)，同時關(guān)系到流經(jīng)電機內(nèi)冷卻空氣的風(fēng)路和熱導(dǎo)路徑，進而影響溫度分布；另一方面，電機齒槽、鐵心和磁極等結(jié)構(gòu)尺寸變化會引起氣隙磁場的諧波成分改變，從而對電機運行時電磁噪聲和振動產(chǎn)生影響。電機結(jié)構(gòu)件直接關(guān)系到尺寸磁路、熱導(dǎo)路徑和冷卻介質(zhì)流體路徑，在電機基礎(chǔ)設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)該統(tǒng)籌考慮結(jié)構(gòu)尺寸對電磁、溫度、振動和噪聲各方面性能影響。
[0003]現(xiàn)有電機優(yōu)化設(shè)計方法較少考慮上述問題，存在的缺陷有:1)現(xiàn)有電機優(yōu)化設(shè)計多針對提高電磁、溫度、振動和噪聲等某一方面性能開展，未考慮優(yōu)化方案對電機其他方面性能影響；2)現(xiàn)有電機優(yōu)化設(shè)計方法多基于“磁路” “熱路”等解析計算程序開展，沒有考慮磁場、溫度場、振動模態(tài)等具體分情況，無法考慮結(jié)構(gòu)件尺寸變化引起各物理參量細微分布變化；3)針對多目標多變量大數(shù)據(jù)計算量的電機優(yōu)化設(shè)計，現(xiàn)有優(yōu)化算法在全局收斂性和迭代速度方面存在不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供數(shù)值計算與解析分析相結(jié)合參數(shù)協(xié)同優(yōu)化電機設(shè)計方法。
[0005]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提出了數(shù)值計算與解析分析相結(jié)合參數(shù)協(xié)同優(yōu)化電機設(shè)計方法，包括以下步驟:
[0006]步驟I)非線性電磁場計算分析:通過電機內(nèi)非線性電磁場數(shù)值計算，得到電機磁場分布和電磁性能參數(shù)隨電機結(jié)構(gòu)件尺寸變規(guī)律，歸納出以結(jié)構(gòu)件尺寸為變量的電磁性能解析表達函數(shù)簇；
[0007]步驟2)電磁、流體、溫度多重收斂迭代物理場耦合分析:通過電機內(nèi)電磁、流體、溫度多重收斂迭代物理場耦合計算，確定電機全域瞬態(tài)溫度分布規(guī)律，找出電機不同組件最高工作溫度和最大溫差隨結(jié)構(gòu)尺寸變化規(guī)律，歸納總結(jié)出以結(jié)構(gòu)件尺寸為變量的不同組件最高工作溫度變化函數(shù)和最大溫差變化解析函數(shù)；
[0008]步驟3)全域瞬態(tài)熱應(yīng)力場分析:考慮不同組件材料的導(dǎo)熱系數(shù)和膨脹系數(shù)，基于電機全域瞬態(tài)溫度場得到工作時電機內(nèi)其膨脹或收縮受阻的熱應(yīng)力分布，歸納總結(jié)出以結(jié)構(gòu)件尺寸為變量的不同組件最大熱應(yīng)力解析表達函數(shù)；
[0009]步驟4)工作頻率下多階振動模態(tài)數(shù)值計算:數(shù)值計算不同結(jié)構(gòu)件尺寸下電機氣隙諧波分量大小變化規(guī)律，計算推導(dǎo)出以結(jié)構(gòu)件尺寸為變量的電機電磁噪聲變化函數(shù)；
[0010]步驟5)電機氣隙諧波磁場與磁密波分量數(shù)值計算分析:計及不同組件材料的彈性模量和泊格比，電機工作頻率下多階振動模態(tài)數(shù)值計算，得到定子鐵心，繞組，轉(zhuǎn)子等主要組件不同方向最大振動模態(tài)值和固有頻率的解析表達函數(shù)，隨電機尺寸的變化；
[0011]步驟6)確定函數(shù)基本約束條件，確定變量變化范圍；
[0012]步驟7)加權(quán)；
[0013]步驟8)通過計算找出最優(yōu)解；
[0014]步驟9)按照得到最優(yōu)解的結(jié)構(gòu)件尺寸變量完善電機整體設(shè)計方案；
[0015]步驟10)繪制電機各組件加工圖紙，線切割模具，沖模、疊壓、繞線、嵌線、浸漆、裝配，試驗測定電機實際電磁、溫升、振動和噪聲等指標合格后，方案定型并批量生產(chǎn)。
[0016]結(jié)構(gòu)件尺寸變量:X=(X1, X2, X3,......, Xk)T ;
[0017]電磁性能解析表達函數(shù)簇:Fe=(fel, fe2, fe3,......，fen);
[0018]最高工作溫度變化函數(shù):F tmax (ftmaxl，ftmax2，ftmax3，，-^tmaxm^ ?
[0019]最大溫差變化解析函數(shù): Ftdet (ftdetl? -^tdet2J -^tdet3J，ftdetm) ?
[0020]最大熱應(yīng)力解析表達函數(shù)?Fsnlax (fsmaxl，fsmax2，fsmax3， ，fsmaxo) ?
[0021]電機電磁噪聲變化函數(shù):Fen=(fen)；
[0022]取大振動態(tài)值:Fmmax_(f_axi，fmmax2) fmmax3)......，fmmMp);
[0023]固有頻率的解析表達函數(shù):Fif=(fifl,fif2, fif3,......，fifp)。
[0024]所述步驟6)還包括:確定函數(shù)基本約束條為:電磁性能高于原設(shè)計FMd〈Fe，溫度、振動和噪聲性能低于設(shè)計性能極限要求Ftmax，F(xiàn)tdet, Fsmax, Fen, F_x〈Fot。
[0025]所述步驟7)還包括:經(jīng)過加權(quán)集合，使得上述電磁輸出性能參數(shù)函數(shù)，溫度分布函數(shù)，熱應(yīng)力函數(shù)，電磁噪聲函數(shù)，振動固有頻率函數(shù)集成為單一綜合優(yōu)化目標優(yōu)化函數(shù)，
加權(quán)因子Qi滿足
【權(quán)利要求】
1.數(shù)值計算與解析分析相結(jié)合參數(shù)協(xié)同優(yōu)化電機設(shè)計方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟I)非線性電磁場計算分析:通過電機內(nèi)非線性電磁場數(shù)值計算，得到電機磁場分布和電磁性能參數(shù)隨電機結(jié)構(gòu)件尺寸變化規(guī)律，歸納出以結(jié)構(gòu)件尺寸為變量的電磁性能解析表達函數(shù)簇； 步驟2)電磁、流體、溫度多重收斂迭代物理場耦合分析:通過電機內(nèi)電磁、流體、溫度多重收斂迭代物理場耦合計算，確定電機全域瞬態(tài)溫度分布規(guī)律，找出電機不同組件最高工作溫度和最大溫差隨結(jié)構(gòu)尺寸變化規(guī)律，歸納總結(jié)出以結(jié)構(gòu)件尺寸為變量的不同組件最高工作溫度變化函數(shù)和最大溫差變化解析函數(shù)； 步驟3)全域瞬態(tài)熱應(yīng)力場分析:考慮不同組件材料的導(dǎo)熱系數(shù)和膨脹系數(shù)，基于電機全域瞬態(tài)溫度場得到工作時電機內(nèi)其膨脹或收縮受阻的熱應(yīng)力分布，歸納總結(jié)出以結(jié)構(gòu)件尺寸為變量的不同組件最大熱應(yīng)力解析表達函數(shù)； 步驟4)工作頻率下多階振動模態(tài)數(shù)值計算:數(shù)值計算不同結(jié)構(gòu)件尺寸下電機氣隙諧波分量大小變化規(guī)律，計算推導(dǎo)出以結(jié)構(gòu)件尺寸為變量的電機電磁噪聲變化函數(shù)； 步驟5)電機氣隙諧波磁場與磁密波分量數(shù)值計算分析:計及不同組件材料的彈性模量和泊格比，電機工作頻率下多階振動模態(tài)數(shù)值計算，得到定子鐵心，繞組，轉(zhuǎn)子等主要組件不同方向最大振動模態(tài)值和固有頻率的解析表達函數(shù)，隨電機尺寸的變化； 步驟6)確定函數(shù)基本約束條件，確定變量變化范圍； 步驟7)加權(quán)； 步驟8)通過計算找出最優(yōu)解； 步驟9)按照得到最優(yōu)解的結(jié)構(gòu)件尺寸變量完善電機整體設(shè)計方案； 步驟10)繪制電機各組件加工圖紙，線切割模具，沖模、疊壓、繞線、嵌線、浸漆、裝配，試驗測定電機實際電磁、溫升、振動和噪聲等指標合格后，方案定型并批量生產(chǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)值計算與解析分析相結(jié)合參數(shù)協(xié)同優(yōu)化電機設(shè)計方法，其特征在于: 結(jié)構(gòu)件尺寸變量:X= (X1, χ2, χ3......., xk)τ; 電磁性能解析表達函數(shù)簇:Fe=(fel, fe2, fe3,......，fen)； 最高工作溫度變化函數(shù):F

tmax (ftmaxl，ftmax2，ftmax3，，-^tmaxm^ ? 最大溫差變化解析函數(shù): Ftdet (ftdetl? ftdet2? ftdet3?，-^"tdetni^ ? 最大熱應(yīng)力解析表達函數(shù):Fsmax= (fsmaxl，fsmax2, fsmaxS,…，LaJ ； 電機電磁噪聲變化函數(shù):Fm=(fm)；
取大振動值=Fmmax (fniiiiaxlJ fmmax2，fmmax3， ，-^mmaxp^ ? 固有頻率的解析表達函數(shù):Fif=(fm, fif2, fif3,......，fifp)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的數(shù)值計算與解析分析相結(jié)合參數(shù)協(xié)同優(yōu)化電機設(shè)計方法，其特征在于所述步驟6)還包括:確定函數(shù)基本約束條為:電磁性能高于原設(shè)計FOTd〈Fe，溫度、振動和噪聲性能低于設(shè)計性能極限要求Ftmax，F(xiàn)tdet, Fsmax, Fen, F_x〈Fot。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)值計算與解析分析相結(jié)合參數(shù)協(xié)同優(yōu)化電機設(shè)計方法，其特征在于所述步驟7)還包括:經(jīng)過加權(quán)集合，使得上述電磁輸出性能參數(shù)函數(shù)，溫度分布函數(shù)，熱應(yīng)力函數(shù)，電磁噪聲函數(shù)，振動固有頻率函數(shù)集成為單一綜合優(yōu)化目標優(yōu)化函數(shù)，加權(quán)因子Oi滿足
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)值計算與解析分析相結(jié)合參數(shù)協(xié)同優(yōu)化電機設(shè)計方法，其特征在于所述步驟7)還包括:子目標函數(shù)加權(quán)運算采用非均衡相對雙向加權(quán)方法改造目標函數(shù)，根據(jù)優(yōu)化目標主次輕重分配不同的加權(quán)系數(shù)Oi古ω。(0<i< j，0<c ( j)，凸出優(yōu)化目標系中的重點對象；同時取額定工況下各值為基準修正加權(quán)系數(shù)(0'=% ( Q<i句.)，消除各種物理性能參數(shù)本身數(shù)值大小對優(yōu)化結(jié)果的影響；根據(jù)性能指標要求對提高和降低目標分別采用正權(quán)數(shù)和負權(quán)數(shù)，統(tǒng)一優(yōu)化函數(shù)極值目標方向，歸一為極大值或極小值搜尋。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的數(shù)值計算與解析分析相結(jié)合參數(shù)協(xié)同優(yōu)化電機設(shè)計方法，其特征在于還包括: 采用優(yōu)化算法找出單一綜合優(yōu)化目標優(yōu)化函數(shù)G全局最優(yōu)解，優(yōu)化設(shè)計出電機各方面性能統(tǒng)籌最優(yōu)的組件尺寸
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)值計算與解析分析相結(jié)合參數(shù)協(xié)同優(yōu)化電機設(shè)計方法，其特征在于所述步驟8)還包括:采用改進型智能優(yōu)化算法進行全局尋優(yōu)；所述的改進型智能優(yōu)化算法，引入了量子計算，采用量子旋轉(zhuǎn)門更新量子比特，進行算子速度和位置的更新，利用量子非門實現(xiàn)量子比特的變異，增加算子種群的多樣性；同時采用自適應(yīng)迭代代數(shù)，散亂數(shù)據(jù)交叉、高斯變異策略和前向遷移方式；與傳統(tǒng)的智能優(yōu)化算法相比，具有更好的種群多樣性，全局尋優(yōu)能力和更快的收斂速度；所述的智能優(yōu)化算法包括但不僅限于遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法、免疫算法等。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的數(shù)值計算與解析分析相結(jié)合參數(shù)協(xié)同優(yōu)化電機設(shè)計方法，其特征在于還包括:歸納出的結(jié)構(gòu)件尺寸為三維尺寸，針對電機結(jié)構(gòu)組件空間結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，結(jié)構(gòu)件三維尺寸變量函數(shù)為X=U1, χ2? χ3?......，Xk;yi，y2J y3J......，Yk;zi，z.3，......，Zk) °
【文檔編號】G06F17/50GK103793559SQ201410020935
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月16日
【發(fā)明者】張曉晨, 李偉力, 曹君慈, 邱洪波, 李棟, 曹釗濱, 王耀玉 申請人:北京交通大學(xué)