电机参数化与优化设计软件开发设计研究

将电机优化算法嵌入到两种电机设计软件中，实现异步力矩电机和永磁同步电机的智能优化设计。软件采用面向对象的编程思想，将电磁计算过程封装为类，以此创建了两个独立的对象，分别负责管理计算模块和优化模块的电机数据。基于.NET框架下的图形设备接口，实现了电机的槽形、磁化曲线、工作特性曲线和优化过程曲线绘制的功能。通过 IO 流技术对电机方案文本文件进行读写操作，便于对电机方案的存储和修改。利用多线程技术，通过对电机的动态优化，用户能够实时控制整个电机优化过程。本文设计的软件可完成同类电机的任意优化问题，且界面清晰明了，满足国内研究人员的使用需求。
第 1 章 绪论

1.1 课题背景意义

电机作为工业领域中的一种重要电气设备被广泛应用于各个行业中，特别是三相异步电动机，因为其构造简单、维护方便、价格低廉等特点而得到普遍的应用。另外，工业上还常用永磁直流电动机、永磁同步电动机和步进电动机等。然而，随着工业技术的发展，各种场合下人们对各种系列电机的性能、成本等指标的要求也越来越高，旧系列的电机往往已经无法满足如今的生产要求了，于是，对于性能更加出色的特种电机的开发和设计变得刻不容缓，如力矩电机、永磁电机等。力矩电机是应用于宽调速范围和软机械调速要求下的一种特殊电机，一般具有低转速、大转矩的特点，而且这种电机过载能力强、响应快、线性度好、力矩波动小，可以直接驱动负载，省去其中的机械传动环节，提高整个系统的精确度，力矩电机在航空航天、卫星和太空探测等领域发挥着重要的作用[1]。所谓的电机设计就是根据技术要求确定电机的设计数据和电磁负荷，进而核算电机各项参数及性能，并对设计数据做出必要的调整，直到符合要求，列出电磁计算清单。可以看出电机设计本身就是一个复杂的多变量耦合的重复调整的设计过程[2]。传统的电机设计方法虽然成熟，但是需要大量简单反复的人工计算，其计算过程不但效率低、周期长而且容易出错。因此，开发出具有自主创新意义并且与实际生产紧密联系的电机优化设计软件是十分必要的[3]。电机优化设计就是在满足国家标准、用户要求以及其它一些特定的约束条件下，使得所设计出的电机在功率因数、力矩、效率等性能指标或者成本方面达到最优[4]。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 电机优化设计及软件开发的国内外研究现状

由于志豪、刘志珍开发的 VB 与 VC 混合编程的电机设计软件，其继承了 VB 与 VC的各自优点，由于语法限制，仅使用 VB 将使整个电机设计程序的代码冗长，使用 VC可使程序代码变得高效简洁，并且在处理电机设计中的多维数组问题时，VC 可以更方便的表达[15]。由孟大伟、周美兰研究的模拟退火算法在电机设计中的应用有效地实现了电机的优化问题。他们将电机的有效材料成本作为优化目标，电机效率、功率因数、最大转矩、起动电流、起动转矩、热负荷、气隙磁密作为约束条件，定转子的槽形尺寸、铁心长度、线规、每槽导体数作为优化变量，利用改进的模拟退火算法，即取控制参数 T 的变化规律为线性递减，通过实验证明了该种方法的可行性[16]。由陈冬阳等人研发的一种混沌粒子群混合算法在微型永磁电机优化设计上得以应用。文中提到了一种粒子群算法和混沌算法的混合优化算法，利用混沌算法的遍利性搜索，为粒子群算法提供了更好的初始粒子，由于粒子间的群集性，个体之间会根据自身及种群所找到的最优位置不断交互和沟通，调整本身的速度和位置，最终得出所求问题的最优方案。粒子群算法通过粒子间的协作寻求最优解，逻辑简单，易于实现，且收敛速度较快。混合后的算法既有混沌算法的遍历性特点又有粒子群算法的合作性特点，使算法的寻优能力更强，优化性能更好。在目标函数的选取上，以电机效率和体积作为优化的目标，并通过把目标函数写成体积与效率的比，巧妙的将多目标优化问题转化为单目标优化问题。同时把电枢直径、长度、永磁体厚度以及槽形尺寸等 12 个变量作为优化设计变量。除了优化变量本身的约束，还要对起动电流倍数、起动转矩倍数、槽满率、气隙磁密、定子轭部磁密、效率等参数进行约束。通过实验得出此方法对多变量多函数约束的问题表现出较大的优越性

第 2 章 电机的电磁设计及初始方案仿真分析

2.1 引言

异步力矩电机是特殊的异步电机，其具有输出转矩大、起动性能良好的特点；永磁同步电机是特殊的同步电机，其相比电励磁式同步电机具有更高的效率。本章节首先对两种电机的电磁设计进行分析，引出问题的优化模型，接着分别选定一套待优化的初始方案，对两种电机进行 ANSYS 仿真，观察给定方案下的各项性能，方便后续的优化设计。

2.2 电机的电磁设计

2.2.1 异步力矩电机的电磁设计

本课题所开发的电机优化设计软件是以电机的电磁计算程序为基础，因此必须首先知晓电磁计算的主要内容及设计方法，本节首先介绍了异步力矩电机的电磁设计过程。异步力矩电机是特殊的三相异步电机，因此其电磁设计过程与普通的三相异步电机完全相同，可分为绕组计算、磁路计算、参数计算、运行性能计算及起动性能计算等过程。目前大多数的电动机电磁设计普遍采用“路”的计算方法，虽然近些年增加了场路耦合算法及优化设计方法，但企业中仍以“路”算法为主，因此电磁计算公式都是基于三相绕组的磁动势、磁场、磁路、等效电路、相量图和功率平衡等。异步力矩电机的磁场由绕组磁动势产生，三相绕组基波磁动势与各相矩形波磁动势合成的阶梯形三相绕组磁动势具有相同的极数、旋转方向和旋转速度，其旋转磁场主要由三相绕组基波磁动势所产生，因此基波磁动势决定了电机的基本电磁性能，电机的极数、旋转磁场的同步转速和旋转方向都是针对基波磁动势产生的旋转磁场而言。当三相对称绕组通以三相对称电流，三相合成基波旋转磁动势的幅值是不变的，为单相基波磁动势最大幅值的 1.5 倍。

第 3 章 电机优化算法设计及软件开发..................................................................................19

3.1 引言................................................................................................................................19

3.2 电机优化算法设计........................................................................................................19

3.3 电机优化设计软件开发................................................................................................26

3.4 本章小结........................................................................................................................37

第 4 章 电机优化设计软件应用实例......................................................................................38

4.1 引言................................................................................................................................38

4.2 异步力矩电机的优化....................................................................................................38

4.3 永磁同步电机的优化....................................................................................................47

4.4 本章小结........................................................................................................................54

第 4 章 电机优化设计软件应用实例

4.1 引言

解决电机优化问题一般需要三个步骤：其一为电机优化模型的确定，其二为优化算法的设计，其三为解决问题工具的确定。本软件无需借助其他工具，可独立完成同一类电机的任意优化问题，本文以第二章给出的初始方案为例，使用异步力矩电机优化设计软件和永磁同步电机优化设计软件对初始方案进行优化设计，再利用 ANSYS对优化后的方案予以验证。

4.2 异步力矩电机的优化

4.2.1 异步力矩电机的初始方案电磁计算

将第二章的异步力矩电机方案代入到软件中，在计算模块得到电磁计算清单，表4.1 列出了部分关键参数。

表 4.1 所示的电流数据都是线电流，由于电枢绕组采用角接，换算为相电流后的起动电流为77.301A,输入电流为12.517A,与ANSYS给出的83.148A和11.811A相差不大，同时，ANSYS 计算得到的起动转矩、额定输出转矩分别为 152.012N·m 和 71.7593N·m，与本软件计算得到的结果基本相同，其误差在允许范围内。

第 5 章 结论

本文实现了电机优化设计软件的开发，并应用软件实现了异步力矩电机、永磁同步电机的优化设计，主要成果如下：

（1）设计出了一种适用于电机优化设计的现代智能优化算法，该算法结合了粒子群优化算法和惩罚函数法，其核心思想是将约束优化问题转化为无约束优化问题，即在粒子群算法的适应度函数中增加了惩罚项。同时，惩罚函数考虑了约束条件与优化目标的数量级关系，并引入约束强度来控制这一关系。本文编写了测试函数小程序对上述算法进行了测试，结果表明当约束强度适当时，算法的优化性能表现良好。

（2）将电机优化算法嵌入到两种电机设计软件中，实现异步力矩电机和永磁同步电机的智能优化设计。软件采用面向对象的编程思想，将电磁计算过程封装为类，以此创建了两个独立的对象，分别负责管理计算模块和优化模块的电机数据。基于.NET框架下的图形设备接口，实现了电机的槽形、磁化曲线、工作特性曲线和优化过程曲线绘制的功能。通过 IO 流技术对电机方案文本文件进行读写操作，便于对电机方案的存储和修改。利用多线程技术，通过对电机的动态优化，用户能够实时控制整个电机优化过程。本文设计的软件可完成同类电机的任意优化问题，且界面清晰明了，满足国内研究人员的使用需求。

（3）以异步力矩电机和永磁同步电机为例，应用软件的优化功能分别对两套初始方案进行优化设计。异步力矩电机经过优化后，在起动电流保持初始值的同时，起动转矩由 150.08N·m 增加到 154.3N·m，起动转矩倍数由 2.09 增加到 2.15，说明电机的起动性能有所提升。永磁同步电机经过优化后，定子齿磁密控制在 1.7T~1.8T 之间，绕组铜线重量控制在 5.6kg 内，槽满率控制在 78%以下，在满足以上三个约束条件的前提下，永磁同步电机的效率得到了提升，由 86.6%提升到 88.76%。最后经过 ANSYS 软件的仿真验证，证实了优化结果是正确有效的