基于粒子群-多物理场协同优化的高效感应电机轻量化方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于粒子群?多物理场协同优化的高效感应电机轻量化方法，包括：根据高效感应电机的主要尺寸、额定数据等参数，给出高效感应电机的电磁设计总体目标；对电机定转子拓扑结构进行选择，确定电机的可行性方案集；选定高效感应电机电磁设计初步方案；采用智能算法对高效感应电机进行成本优化，得到高效感应电机的成本最优；采用磁路法及电磁场有限元并行方式对高效感应电机的工作特性和主要运行数据进行计算；采用有限元法对高效感应电机的温度场进行校核；对优化后电机的重量与电磁设计初步方案中计算出的重量相比较进行计算。本发明实现了高效感应电机轻量化的目标，并采用多物理场对优化后的结果进行校核，保证计算结果的准确性。
【专利说明】
基于粒子群-多物理场协同优化的高效感应电机轻量化方法
技术领域
[0001] 本发明设及电机系统节能技术领域，尤其设及一种基于粒子群-多物理场协同优 化的高效感应电机轻量化方法。
【背景技术】
[0002] 中小型电机是量大面广的产品，它广泛地应用于工业、农业、国防、公用设施和家 用电器等各个领域，其耗电量占全国总电量的60% W上，因此，中小型电机产业的发展对国 民经济建设、能源节约、环境保护和人民生活都起着重要的促进作用。
[0003] 十一五期间，电机系统节能工程被列为五十大重点节能工程之一，是国家节能减 排工作的重点领域。电机的小型化和轻量化是电机制造业今后的发展方向。电机的小型化、 轻量化与节能降耗密切相关，而在超高效电机上如何做到小型化与轻量化则是大量专家学 者现在关注的焦点所在。
【发明内容】
[0004] 本发明的实施例提供了一种基于粒子群-多物理场协同优化的高效感应电机轻量 化方法，W实现高效感应电机的小型化与轻量化。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
[0006] -种基于粒子群-多物理场协同优化的高效感应电机轻量化方法，包括：
[0007] 步骤1、根据高效感应电机的产品规格及技术要求给出高效感应电机的尺寸及电 磁设计总体目标；
[000引步骤2、在保持=圆不变的条件下，根据对电机振动噪声、谐波磁场、热负荷及电负 荷的考虑，对高效感应电机的定转子结构进行筛选及评价；
[0009] 步骤3、在步骤(2)中的高效感应电机的定转子结构筛选的结果基础上，对高效感 应电机的定转子拓扑结构进行选择，确定高效感应电机的可行性方案集；
[0010] 步骤4、在步骤(3)确定的高效感应电机可行方案集的基础上，采用电机电磁设计 计算程序计算高效感应电机内各个电磁参数，选定高效感应电机电磁设计初步方案；
[0011] 步骤5、在步骤(4)计算出的高效感应电机内各个电磁参数的结果基础上，W高效 感应电机的功率因数、起动转矩、起动电流参数作为约束条件，W高效感应电机的效率和轻 量化为双目标函数，采用粒子群算法对高效感应电机进行效率和轻量化为双目标优化，得 到同时满足高效感应电机的效率和轻量化要求的最优解集；
[0012] 步骤6、在步骤(5)得到的高效感应电机的最优解集的基础上，采用磁路法及电磁 场有限元并行方式通过电压平衡方程和效率平衡方程对高效感应电机的工作特性和运行 数据进行迭代计算，若工作特性和运行数据满足要求，则转到步骤(7)继续计算，若不满足 要求，则返回步骤(5 )，重新进行优化计算；
[0013] 步骤7、在步骤(6)高效感应电机的工作特性和运行数据的计算结果基础上，采用 溫度场有限元法对高效感应电机的溫度场进行校核计算，若溫度场满足要求，则转到步骤 (8)继续计算，若不满足要求，则返回步骤(5)，重新进行优化计算；
[0014] 步骤8、计算出优化后的高效感应电机的重量与电磁设计初步方案中各个元素的 重量比值，如果重量比值符合给定节材要求，则完成高效感应电机的电磁设计总体方案;如 果重量比值不符合给定节材要求，则返回步骤5,对电机的结构及参数重新进行优化计算。
[0015] 进一步地:所述步骤（1)中，高效感应电机的产品规格包括:功率、电压、相绕组连 接方式、相数及转速等数据，技术要求包括:效率、功率因数、绝缘等级、运行方式、溫升限度 及机械可靠性要求。
[0016] 进一步地:所述步骤(2)中，高效感应电机的定转子结构包括高效感应电机的定转 子槽型、槽配合、线负荷及热负荷的选择。
[0017] 进一步地:所述步骤(3)中，高效感应电机的定转子拓扑结构的选择包括定子槽 型、定子绕组排布方式、转子槽型及转子导条材料的选择。
[0018] 进一步地:所述步骤(4)中，采用电机电磁设计计算程序计算高效感应电机内各个 电磁参数包括:根据额定数据确定高效感应电机的定子绕组线规及每槽导体数;采用磁路 法计算高效感应电机的各部分磁势;计算出高效感应电机的各个电磁参数;对高效感应电 机的工作性能及起动性能进行计算。
[0019] 进一步地:所述步骤(5)中，采用粒子群优化算法对高效感应电机进行成本优化计 算时，优化变量选择遵循=圆不变的原则，优化变量选择为高效感应电机的定子绕组线规 尺寸、每槽导体数及定转子槽各尺寸，目标函数为高效感应电机采用各材料的成本之和。
[0020] 进一步地:所述步骤(6)中，采用磁路法及电磁场有限元并行方式通过电压平衡方 程和效率平衡方程对高效感应电机的工作特性和运行数据进行迭代计算，具体步骤为：
[0021] 步骤6.1、建立高效感应电机的优化后二维电磁场有限元模型，编写磁路计算程 序；
[0022] 步骤6.2、W高效感应电机的电压方程
弓约束条件进行电流 迭代计算，其中，技为定子每相所加的电源电压，/为定子=相绕组所流过的相电流，Ri为定 子每相绕组的电阻，Xle为定子每相漏抗，点为定子绕组上感应的=相电动势。
[00剖步骤6.3、^高效感应电机的功率方程?加2/3 = ?6 = ?加2+?0+?5+?2为约束条件进行 转差率迭代计算，其中，Pcu2为高效感应电机转子铜耗，S为高效感应电机的转差率，Pe为高 效感应电机的电磁功率，Pn为高效感应电机转子的机械损耗，Ps为高效感应电机的杂散损 耗P2为高效感应电机转轴上输出的机械功率。
[0024] 步骤6.4、比较步骤6.2采用磁路法计算出高效感应电机的工作特性、运行数据和 步骤6.3采用电磁场有限元方法计算出高效感应电机的工作特性、运行数据，如果磁路法和 有限元法同时满足
和高效感应电机设计要求，其中，Ui为采 用磁路法得到的定子每相所加的电源电压，化为采用电磁场有限元方法得到的定子每相所 加电源电压，Sl为采用磁路法计算得到的高效感应电机转差率，S2为采用电磁场有限元方法 计算得到的高效感应电机转差率。El和E2分别为满足迭代要求的残差；
[0025] 则转到步骤（7)进行溫度场有限元校核，若磁路法和有限元法仅满足
，不满足高效电机设计要求时，则回到步骤5重新优化计算，若 磁路法和有限元法不同时满^
，则回到步骤6.1，重新进行电 磁场有限元建模及修改磁路法程序。
[0026] 进一步地:所述步骤(7)中，采用溫度场有限元法对高效感应电机的溫度场进行校 核计算的具体步骤为：
[0027] 步骤7.1、建立高效感应电机的优化后二维溫度场有限元模型；
[0028] 步骤7.2、根据电磁场有限元算出的定子绕组铜耗，转子绕组铜耗和铁耗计算高效 感应电机的热流密度qv=P/V，其中Qv为高效感应电机定转子绕组及铁屯、上的热流密度，P为 高效感应电机的定子绕组铜耗、转子绕组铜耗和铁耗，V为定子绕组、转子绕组及铁屯、的体 积。
[0029] 步骤7.3、根据电磁场有限元迭代出的转差率计算高效感应电机的机壳表面散热 系数〇 = 9.73 + 14￥日'62和气隙等效导热系数\6:: = 〇.〇〇19.11-2'9日84.1?6日'461"。(3'33361 '。)，口二 rn/Ri，其中，V为高效感应电机机壳散热齿间的空气流速，r。为高效感应电机转子外径，Ri为 高效感应电机定子内径，Re为流体雷诺数。
[0030] 步骤7.4、将步骤7.2和7.3计算出的结果带入步骤7.1的溫度场有限元模型中计算 出高效感应电机的溫度场，当高效感应电机的溫度场不满盾
和
要求时，则返回步骤5重新优化计算，其中，Twi为高效感应电机绕组实测溫 度，lw2为高效感应电机绕组计算溫度，Tfel为高效感应电机铁屯、实测溫度，Tfe2为高效感应电 机铁屯、计算溫度，E3和E4分别为满足迭代要求的残差；
[0031] 若高效感应电机的溫度场满巧
要求，则转到步 骤8继续对高效感应电机的轻量化进行判断。
[0032] 进一步地:所述步骤(8)中，计算出优化后的高效感应电机的重量与电磁设计初步 方案中各个元素的重量比值，如果重量比值符合给定节材要求，则完成高效感应电机的电 磁设计总体方案，包括：
[0033] 获取高效感应电机的铜重、铁重和侣重，如其差值满月
岸中，Gi为高 效感应电机优化后重量，Go为高效感应电机优化前重量，则完成高效感应电机的电磁设计 总体方案。
[0034] 由上述本发明的实施例提供的技术方案可W看出，本发明实施例的一种基于粒子 群-多物理场协同优化的高效感应电机轻量化算法，给出了新的设计方法，通过多重迭代的 方式，将有限元计算与解析公式相结合;采用智能优化算法对超高效电机成本进行优化，使 得超高效电机在性能条件不变的情况下，电机成本得到有效降低。采用先解析法设计后有 限元校核，设计过程中的各个参数得到校核。减小了计算时所产生的误差，最后得到的结果 精确度更高。
[0035] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，运些将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0036] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可W根据运些附图获得其他 的附图。
[0037] 图1为本发明实施例提供的一种基于粒子群-多物理场协同优化的高效感应电机 轻量化方法的处理流程图；
[0038] 图2为本发明实施例提供的一种大型电机的二维电磁场求解模型；
[0039] 图3为本发明实施例提供的一种大型电机的二维溫度场求解模型。
【具体实施方式】
[0040] 下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始 至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参 考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0041] 本技术领域技术人员可W理解，除非特意声明，运里使用的单数形式"一"、"一 个"、"所述"和"该"也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措 辞"包括"是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加 一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元 件被"连接"或"禪接"到另一元件时，它可W直接连接或禪接到其他元件，或者也可W存在 中间元件。此外，运里使用的"连接"或"禪接"可W包括无线连接或禪接。运里使用的措辞 "和/或"包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0042] 本技术领域技术人员可W理解，除非另外定义，运里使用的所有术语(包括技术术 语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该 理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意 义一致的意义，并且除非像运里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0043] 为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图W几个具体实施例为例做进一步 的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0044] 实施例一
[0045] 该实施例提供了一种基于粒子群-多物理场协同优化的高效感应电机轻量化方法 的处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤：
[0046] 步骤（1)、根据高效感应电机的产品规格及技术要求给出高效感应电机的主要尺 寸及电磁设计总体目标；
[0047] 其中，高效感应电机的产品规格主要包括:功率、电压、相绕组连接方式、相数及转 速等数据，技术要求主要包括:效率、功率因数、绝缘等级、运行方式、溫度限度及机械可靠 性要求等。
[0048] 步骤(2)、在保持=圆不变的条件下，综合对电机振动噪声、谐波磁场、热负荷及电 负荷的考虑，对高效感应电机的定转子结构进行复杂筛选及评价，其中，高效感应电机的定 转子结构至少给定高效感应电机的定转子槽型、槽配合、线负荷及热负荷的选择。其中=圆 不变，指的是定子外径、定子内径及转子内径尺寸不能改变。
[0049] 步骤(3)、在步骤(2)中的高效感应电机的定转子结构筛选的结果基础上，对高效 感应电机的定转子拓扑结构进行选择，确定高效感应电机的可行性方案集。其中，高效感应 电机的定转子拓扑结构的选择应包括定子槽型尺寸、定子绕组排布方式、转子槽型尺寸及 转子导条材料的选择。
[0050] 步骤(4)、在步骤(3)确定的高效感应电机可行方案集的基础上，采用电机电磁设 计计算程序计算高效感应电机内各个电磁参数，选定高效感应电机的电磁设计初步方案。 主要包括:首先根据额定数据及已确定的电机主要尺寸，对高效感应电机的定子绕组线规 及每槽导体数进行设计计算;其次，采用磁路法计算高效感应电机的各部分磁势，得到励磁 电抗及磁化电流;再次，计算出高效感应电机的各个电磁参数，如：定转子漏抗、定转子电 阻、有效材料的重量和定子电流等参数;最后对高效感应电机的工作性能，如定子铜耗、转 子铜耗及铁屯、损耗，W及起动性能，如起动电流和起动转矩进行计算。
[0051] 步骤(5)、在步骤(4)高效感应电机磁路计算的结果上，W高效感应电机的功率因 数、起动转矩、起动电流等参数作为约束条件，W高效感应电机的效率和轻量化为双目标函 数，采用粒子群优化算法对高效感应电机进行效率和轻量化为双目标优化，得到同时满足 高效感应电机的效率和轻量化要求的最优解集；
[0052] 在采用粒子群优化算法对高效感应电机进行成本优化计算时，优化变量选择应遵 循=圆不变的原则，优化变量选择可W为高效感应电机的定子绕组线规尺寸、每槽导体数 及定转子槽各尺寸，目标函数为高效感应电机采用各材料的成本之和，计算函数为：
[0化3]
[0054] 适应度函数为分别为，n高效感应电机效率、COS科高效感应电机功率因数、Tst高 效感应电机起动转矩倍数和I St高效感应电机起动电流倍数。
[0055] 其他费用指高效感应电机转子铸侣的成本及机壳等的成本。运四项基本指标作为 满足高效感应电机的标准限值。对于约束条件非线性的问题，采用SUMT外罚函数来解决。通 过引入进罚函数，把目标函数min/(X)，约束条件&(文)融合成增广目标函数，它会惩罚 任何对约束的违背的趋势，强迫非约束优化朝着可行域中靠近，最终将具有不等式约束的 优化设计问题调整为对增广目标函数的无约束最优化设计问题，其增广目标函数构造如 下。
[0056]
姐
[0化7] 倒
[005引其中ui(gi)为单位阶跃函数;rW为惩罚因子，是一个按简单的比例关系进行递增 的无穷序列，0<1'1<00，<^<^<+10-。
[0059] 步骤(6)、在步骤(5)得到的高效感应电机的优化结果的基础上，采用磁路法及电 磁场有限元并行方式通过电压平衡方程和效率平衡方程对高效感应电机的工作特性和主 要运行数据进行迭代计算，若工作特性和主要运行数据满足要求，则转到步骤(7)继续计 算，若不满足要求，则返回步骤(5 )，重新进行优化计算；
[0060] 上述采用磁路法及电磁场有限元并行方式对高效感应电机的工作特性和主要运 行数据进行迭代计算，具体步骤为：
[0061] 步骤6.1、建立高效感应电机的二维电磁场有限元模型，如图2所示，同时编写磁路 计算程序；
[0062] 步骤6.2、W高效感应电机的电压方若
为约束条件进行电流 迭代计算，其中，技为定子每相所加的电源电压，/为定子=相绕组所流过的相电流，扣为定 子每相绕组的电阻，Xle为定子每相漏抗，后为定子绕组上感应的=相电动势;得到采用磁 路法计算出定子每相所加的电源电压化，采用磁路法计算出高效感应电机转差率S1。
[0063] 步骤6.3、^高效感应电机的功率方程?加2/3 = ?6 = ?加2+?0+?5+?2为约束条件进行 转差率迭代计算，其中，PCU2为高效感应电机转子铜耗，S为高效感应电机的转差率，Pe为高 效感应电机的电磁功率，Pn为高效感应电机转子的机械损耗，Ps为高效感应电机的杂散损 耗P2为高效感应电机转轴上输出的机械功率，得到采用电磁场有限元方法计算出定子每相 所加电源电压化，采用电磁场有限元方法计算出高效感应电机转差率S2。
[0064] 步骤6.4、比较步骤6.2采用磁路法计算出的工作特性、主要运行数据和步骤6.3采 用电磁场有限元方法计算出的工作特性、主要运行数据，如果磁路法和有限元法同时满足
2和高效感应电机设计要求，其中，Ui为采用磁路法得到的定子 每相所加的电源电压，化为采用电磁场有限元方法得到的定子每相所加电源电压，S功采用 磁路法计算得到的高效感应电机转差率，S2为采用电磁场有限元方法计算得到的高效感应 电机转差率。El和E2分别为满足迭代要求的残差。则转到步骤(7)进行溫度场有限元校核，若 磁路法和有限元法仅满丈
，不满足高效电机设计要求时，则回 到步骤（5)重新优化计算，若磁路法和有限元法不同时满巧
则回到步骤6.1，重新进行电磁场有限元建模及修改磁路法程序。
[0065] 步骤(7)、在步骤(6)电磁场计算结果的基础上，采用溫度场有限元法对高效感应 电机的溫度场进行计算，若溫度满足要求，则转到步骤(8)继续计算，若不满足要求，则返回 步骤(5)，重新进行优化计算。
[0066] 本发明实施例提供的一种溫度场有限元法的模型如图3所示，对高效感应电机优 化结果进行溫度场校核的具体步骤为：
[0067] 步骤7.1、建立高效感应电机的优化后二维溫度场有限元模型；
[0068] 步骤7.2、根据电磁场有限元算出的定子绕组铜耗，转子绕组铜耗和铁耗等计算高 效感应电机的热流密度qv=P/V，其中Qv为高效感应电机定转子绕组及铁屯、上的热流密度，P 为高效感应电机的定子绕组铜耗、转子绕组铜耗和铁耗，V为定子绕组、转子绕组及铁屯、的 体积;步骤7.3、根据电磁场有限元迭代出的转差率计算高效感应电机的机壳表面散热系数 曰=9.73+14￥日'日哺气隙等效导热系数人6:: = 0.0019.11-2'9日84*1?6日'4日1"。 (3'333日1叫)，其中，乂为 高效感应电机机壳散热齿间的空气流速，r。为高效感应电机转子外径，Ri为高效感应电机定 子内径，Re为流体雷诺数;步骤7.4、将步骤7.2和7.3计算出的结果带入步骤7.1的溫度场有 限元模型中计算高效感应电机的溫度场。当高效感应电机的溫度结果不满足
要求时则返回步骤(5)重新优化计算，若满足要求则转到 步骤(8)继续对高效感应电机的轻量化进行判断，其中，Twi为高效感应电机绕组实测溫度， lw2为高效感应电机绕组计算溫度，Tfel为高效感应电机铁屯、实测溫度，Tfe2为高效感应电机 铁屯、计算溫度，63和64分别为满足迭代要求的残差。。
[0069] 步骤(8)、在步骤(7)溫度场校核符合高效感应电机设计要求的基础上，对优化后 高效感应电机的重量与电磁设计初步方案中计算出的重量进行重量比值计算，如果重量比 值符合给定节材要求，即确定高效感应电机电磁设计总体方案，完成设计要求;如果重量比 值不符合给定节材要求，则返回步骤(5)，对电机的结构及参数重新进行优化计算。
[0070] 上述对优化后电机的重量与电磁设计初步方案中计算出的重量进行差值计算，主 要重量应包含高效感应电机的铜重、铁重和侣重。如果重量比值符合给定节材要求，满足
I其中，Gl为高效感应电机优化后重量，柄为高效感应电机优化前重量，ES为设 定的阔值，即确定高效感应电机电磁设计总体方案；
[0071] 如果重量比值不符合给定节材要求，不满足
则重新返回步骤巧)重 新优化计算。
[0072] 综上所述，本发明实施例的一种基于粒子群-多物理场协同优化的高效感应电机 轻量化算法，与传统方法相比具有W下优点：
[0073] 1、给出了新的设计方法，通过多重迭代的方式，将有限元计算与解析公式相结合。 实现了高效感应电机轻量化的目标，并采用多物理场对优化后的结果进行校核，保证计算 结果的准确性。
[0074] 2、采用智能优化算法对超高效电机成本进行优化，使得超高效电机在性能条件不 变的情况下，电机成本得到有效降低。
[0075] 3、采用先解析法设计后有限元校核，设计过程中的各个参数得到校核。减小了计 算时所产生的误差，最后得到的结果精确度更高。
[0076] 本领域普通技术人员可W理解:附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或 流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0077] 本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部 分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或 系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所W描述得比较简单，相关之处参见方法 实施例的部分说明即可。W上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为 分离部件说明的单元可W是或者也可W不是物理上分开的，作为单元显示的部件可W是或 者也可W不是物理单元，即可W位于一个地方，或者也可W分布到多个网络单元上。可W根 据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术 人员在不付出创造性劳动的情况下，即可W理解并实施。
[0078] W上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明掲露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该W权利要求的保护范围 为准。
【主权项】
1. 一种基于粒子群-多物理场协同优化的高效感应电机轻量化方法，其特征在于，包 括： 步骤1、根据高效感应电机的产品规格及技术要求给出高效感应电机的尺寸及电磁设 计总体目标； 步骤2、在保持三圆不变的条件下，根据对电机振动噪声、谐波磁场、热负荷及电负荷的 考虑，对尚效感应电机的定转子结构进彳丁筛选及评价； 步骤3、在步骤(2)中的高效感应电机的定转子结构筛选的结果基础上，对高效感应电 机的定转子拓扑结构进行选择，确定高效感应电机的可行性方案集； 步骤4、在步骤(3)确定的高效感应电机可行方案集的基础上，采用电机电磁设计计算 程序计算高效感应电机内各个电磁参数，选定高效感应电机电磁设计初步方案； 步骤5、在步骤(4)计算出的高效感应电机内各个电磁参数的结果基础上，以高效感应 电机的功率因数、起动转矩、起动电流参数作为约束条件，以高效感应电机的效率和轻量化 为双目标函数，采用粒子群算法对高效感应电机进行效率和轻量化为双目标优化，得到同 时满足高效感应电机的效率和轻量化要求的最优解集； 步骤6、在步骤(5)得到的高效感应电机的最优解集的基础上，采用磁路法及电磁场有 限元并行方式通过电压平衡方程和效率平衡方程对高效感应电机的工作特性和运行数据 进行迭代计算，若工作特性和运行数据满足要求，则转到步骤(7)继续计算，若不满足要求， 则返回步骤(5)，重新进行优化计算； 步骤7、在步骤(6)高效感应电机的工作特性和运行数据的计算结果基础上，采用温度 场有限元法对高效感应电机的温度场进行校核计算，若温度场满足要求，则转到步骤(8)继 续计算，若不满足要求，则返回步骤(5)，重新进行优化计算； 步骤8、计算出优化后的高效感应电机的重量与电磁设计初步方案中各个元素的重量 比值，如果重量比值符合给定节材要求，则完成高效感应电机的电磁设计总体方案;如果重 量比值不符合给定节材要求，则返回步骤5,对电机的结构及参数重新进行优化计算。2. 根据权利要求1所述的基于粒子群-多物理场协同优化的高效感应电机轻量化算法， 其特征在于:所述步骤（1)中，高效感应电机的产品规格包括:功率、电压、相绕组连接方式、 相数及转速等数据，技术要求包括:效率、功率因数、绝缘等级、运行方式、温升限度及机械 可靠性要求。3. 根据权利要求1所述的基于粒子群-多物理场协同优化的高效感应电机轻量化算法， 其特征在于:所述步骤(2)中，高效感应电机的定转子结构包括高效感应电机的定转子槽 型、槽配合、线负荷及热负荷的选择。4. 根据权利要求1所述的基于粒子群-多物理场协同优化的高效感应电机轻量化算法， 其特征在于:所述步骤(3)中，高效感应电机的定转子拓扑结构的选择包括定子槽型、定子 绕组排布方式、转子槽型及转子导条材料的选择。5. 根据权利要求1所述的基于粒子群-多物理场协同优化的高效感应电机轻量化算法， 其特征在于:所述步骤(4)中，采用电机电磁设计计算程序计算高效感应电机内各个电磁参 数包括:根据额定数据确定高效感应电机的定子绕组线规及每槽导体数;采用磁路法计算 高效感应电机的各部分磁势;计算出高效感应电机的各个电磁参数;对高效感应电机的工 作性能及起动性能进行计算。6. 根据权利要求1所述的基于粒子群-多物理场协同优化的高效感应电机轻量化算法， 其特征在于:所述步骤(5)中，采用粒子群优化算法对高效感应电机进行成本优化计算时， 优化变量选择遵循三圆不变的原则，优化变量选择为高效感应电机的定子绕组线规尺寸、 每槽导体数及定转子槽各尺寸，目标函数为高效感应电机采用各材料的成本之和。7. 根据权利要求1所述的基于粒子群-多物理场协同优化的高效感应电机轻量化算法， 其特征在于:所述步骤(6)中，采用磁路法及电磁场有限元并行方式通过电压平衡方程和效 率平衡方程对高效感应电机的工作特性和运行数据进行迭代计算，具体步骤为： 步骤6.1、建立高效感应电机的优化后二维电磁场有限元模型，编写磁路计算程序； 步骤6.2、以高效感应电机的电压方程- Z；：为约束条件进行电流迭代 计算，其中，Cj为定子每相所加的电源电压，/为定子三相绕组所流过的相电流，办为定子每 相绕组的电阻，XleS定子每相漏抗，左为定子绕组上感应的三相电动势； 步骤6.3、以高效感应电机的功率方程PCu2/s = Pe = PCu2+Pfi+Ps+P2为约束条件进行转差 率迭代计算，其中，Pcu2为高效感应电机转子铜耗，s为高效感应电机的转差率，Pe3为高效感 应电机的电磁功率，Ρω为高效感应电机转子的机械损耗，Ps为高效感应电机的杂散损耗P 2S 高效感应电机转轴上输出的机械功率；步骤6.4、比较步骤6.2采用磁路法计算出高效感应电机的工作特性、运行数据和步骤 6.3采用电磁场右阻元卞·法彳+管m高沩咸心由机的工作特性、运行数据，如果磁路法和有限 元法同时满足 和高效感应电机设计要求，其中，山为采用磁 路法得到的定子每相所加的电源电压，U2为采用电磁场有限元方法得到的定子每相所加电 源电压，S1为采用磁路法计算得到的高效感应电机转差率，82为采用电磁场有限元方法计算 得到的高效感应电机转差率。ει和ε2分别为满足迭代要求的残差； 则转到步骤(7)进行温度场有限元校核，若磁路法和有限元法仅满』和a不满足高效电机设计要求时，则回到步骤5重新优化计算，若磁路法和有限元 法不同时满丨则回到步骤6.1，重新进行电磁场有限元建模 及修改磁路法程序。8. 根据权利要求1所述的基于粒子群-多物理场协同优化的高效感应电机轻量化算法， 其特征在于:所述步骤(7)中，采用温度场有限元法对高效感应电机的温度场进行校核计算 的具体步骤为： 步骤7.1、建立高效感应电机的优化后二维温度场有限元模型； 步骤7.2、根据电磁场有限元算出的定子绕组铜耗，转子绕组铜耗和铁耗计算高效感应 电机的热流密度qv = P/V，其中qv为高效感应电机定转子绕组及铁心上的热流密度，P为高效 感应电机的定子绕组铜耗、转子绕组铜耗和铁耗，V为定子绕组、转子绕组及铁心的体积； 步骤7.3、根据电磁场有限元迭代出的转差率计算高效感应电机的机壳表面散热系数α = 9.73+14vQ·62和气隙等效导热系数 Aeff = 0.0019 · η-2·_ · !^?4614111(3'33361 4)，11 = 5/1^，其中，￥为高效感应电机机壳散热 齿间的空气流速，r。为高效感应电机转子外径，R1为高效感应电机定子内径，Re为流体雷诺 数； 步骤7.4、将步骤7.2和7.3计算出的结果带入步骤7.1的温度场有限元模型中计算出高 效感应电机的温度场，当高效感应电机的温度场不满足要求时，则返回步骤5重新优化计算，其中，Twl为高效 感应电机绕组实测温度，Tw2为高效感应电机绕组计算温度，Tfel为高效感应电机铁心实测温 度，Tfe32为高效感应电机铁心计算温度，ε3和ε4分别为满足迭代要求的残差； 若高效感应电机的温度场满5要求，则转到步骤8继 续对高效感应电机的轻量化进行判断。9.根据权利要求1所述的基于粒子群-多物理场协同优化的高效感应电机轻量化算法， 其特征在于:所述步骤(8)中，计算出优化后的高效感应电机的重量与电磁设计初步方案中 各个元素的重量比值，如果重量比值符合给定节材要求，则完成高效感应电机的电磁设计 总体方案，包括： 获取高效感应电机的铜重、铁重和铝重，如其差值满丨 其中，G1S高效感 应电机优化后重量，Go为高效感应电机优化前重量，则完成高效感应电机的电磁设计总体 方案。
【文档编号】G06F17/50GK106021706SQ201610327002
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】李栋, 李伟力, 王蒲瑞, 李锦洲, 赵炳荣, 曹君慈, 张晓晨, 李琳, 曾建军, 马祥宏, 曹钊滨, 张智娟, 沈稼丰
【申请人】北京交通大学