数值计算与解析分析相结合参数协同优化电机设计方法
【专利摘要】本发明属于电气【技术领域】，具体涉及数值计算与解析分析相结合参数协同优化电机设计方法，采用数值计算研究电机内电磁、温度、流体、热应力、振动、噪声等物理参量变化，归纳出以结构件尺寸为变量的电磁性能解析表达函数簇，不同组件最高工作温度和最大温差解析函数，最大热应力解析表达函数，电机电磁噪声变化函数，组件不同方向最大振动模态值和固有频率的解析表达函数，进而统筹综合考虑电机各方面性能开展结构件尺寸的精细化设计，大幅度提高各项性能指标计算准确性；采用非均衡相对双向加权方法改造目标函数，消除了不同性能指标本身数值大小对结算结果的影响；在智能优化算法中引入了量子计算，使算法具有更好的种群多样性，全局寻优能力和更快的收敛速度。
【专利说明】数值计算与解析分析相结合参数协同优化电机设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电气【技术领域】，具体涉及数值计算与解析分析相结合参数协同优化电机设计方法。
【背景技术】
[0002]电机的气隙大小、齿槽形状等结构不仅影响到电机的磁路结构和输出性能参数，同时关系到流经电机内冷却空气的风路和热导路径，进而影响温度分布；另一方面，电机齿槽、铁心和磁极等结构尺寸变化会引起气隙磁场的谐波成分改变，从而对电机运行时电磁噪声和振动产生影响。电机结构件直接关系到尺寸磁路、热导路径和冷却介质流体路径，在电机基础设计和优化设计中应该统筹考虑结构尺寸对电磁、温度、振动和噪声各方面性能影响。
[0003]现有电机优化设计方法较少考虑上述问题，存在的缺陷有:1)现有电机优化设计多针对提高电磁、温度、振动和噪声等某一方面性能开展，未考虑优化方案对电机其他方面性能影响；2)现有电机优化设计方法多基于“磁路” “热路”等解析计算程序开展，没有考虑磁场、温度场、振动模态等具体分情况，无法考虑结构件尺寸变化引起各物理参量细微分布变化；3)针对多目标多变量大数据计算量的电机优化设计，现有优化算法在全局收敛性和迭代速度方面存在不足。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供数值计算与解析分析相结合参数协同优化电机设计方法。
[0005]为了实现上述发明目的，本发明提出了数值计算与解析分析相结合参数协同优化电机设计方法，包括以下步骤:
[0006]步骤I)非线性电磁场计算分析:通过电机内非线性电磁场数值计算，得到电机磁场分布和电磁性能参数随电机结构件尺寸变规律，归纳出以结构件尺寸为变量的电磁性能解析表达函数簇；
[0007]步骤2)电磁、流体、温度多重收敛迭代物理场耦合分析:通过电机内电磁、流体、温度多重收敛迭代物理场耦合计算，确定电机全域瞬态温度分布规律，找出电机不同组件最高工作温度和最大温差随结构尺寸变化规律，归纳总结出以结构件尺寸为变量的不同组件最高工作温度变化函数和最大温差变化解析函数；
[0008]步骤3)全域瞬态热应力场分析:考虑不同组件材料的导热系数和膨胀系数，基于电机全域瞬态温度场得到工作时电机内其膨胀或收缩受阻的热应力分布，归纳总结出以结构件尺寸为变量的不同组件最大热应力解析表达函数；
[0009]步骤4)工作频率下多阶振动模态数值计算:数值计算不同结构件尺寸下电机气隙谐波分量大小变化规律，计算推导出以结构件尺寸为变量的电机电磁噪声变化函数；
[0010]步骤5)电机气隙谐波磁场与磁密波分量数值计算分析:计及不同组件材料的弹性模量和泊格比，电机工作频率下多阶振动模态数值计算，得到定子铁心，绕组，转子等主要组件不同方向最大振动模态值和固有频率的解析表达函数，随电机尺寸的变化；
[0011]步骤6)确定函数基本约束条件，确定变量变化范围；
[0012]步骤7)加权；
[0013]步骤8)通过计算找出最优解；
[0014]步骤9)按照得到最优解的结构件尺寸变量完善电机整体设计方案；
[0015]步骤10)绘制电机各组件加工图纸，线切割模具，冲模、叠压、绕线、嵌线、浸漆、装配，试验测定电机实际电磁、温升、振动和噪声等指标合格后，方案定型并批量生产。
[0016]结构件尺寸变量:X=(X1, X2, X3,......, Xk)T ;
[0017]电磁性能解析表达函数簇:Fe=(fel, fe2, fe3,......，fen);
[0018]最高工作温度变化函数:F tmax (ftmaxl，ftmax2，ftmax3，，-^tmaxm^ ?
[0019]最大温差变化解析函数: Ftdet (ftdetl? -^tdet2J -^tdet3J，ftdetm) ?
[0020]最大热应力解析表达函数?Fsnlax (fsmaxl，fsmax2，fsmax3， ，fsmaxo) ?
[0021]电机电磁噪声变化函数:Fen=(fen)；
[0022]取大振动态值:Fmmax_(f_axi，fmmax2) fmmax3)......，fmmMp);
[0023]固有频率的解析表达函数:Fif=(fifl,fif2, fif3,......，fifp)。
[0024]所述步骤6)还包括:确定函数基本约束条为:电磁性能高于原设计FMd〈Fe，温度、振动和噪声性能低于设计性能极限要求Ftmax，Ftdet, Fsmax, Fen, F_x〈Fot。
[0025]所述步骤7)还包括:经过加权集合，使得上述电磁输出性能参数函数，温度分布函数，热应力函数，电磁噪声函数，振动固有频率函数集成为单一综合优化目标优化函数，
加权因子Qi满足
【权利要求】
1.数值计算与解析分析相结合参数协同优化电机设计方法，其特征在于包括以下步骤: 步骤I)非线性电磁场计算分析:通过电机内非线性电磁场数值计算，得到电机磁场分布和电磁性能参数随电机结构件尺寸变化规律，归纳出以结构件尺寸为变量的电磁性能解析表达函数簇； 步骤2)电磁、流体、温度多重收敛迭代物理场耦合分析:通过电机内电磁、流体、温度多重收敛迭代物理场耦合计算，确定电机全域瞬态温度分布规律，找出电机不同组件最高工作温度和最大温差随结构尺寸变化规律，归纳总结出以结构件尺寸为变量的不同组件最高工作温度变化函数和最大温差变化解析函数； 步骤3)全域瞬态热应力场分析:考虑不同组件材料的导热系数和膨胀系数，基于电机全域瞬态温度场得到工作时电机内其膨胀或收缩受阻的热应力分布，归纳总结出以结构件尺寸为变量的不同组件最大热应力解析表达函数； 步骤4)工作频率下多阶振动模态数值计算:数值计算不同结构件尺寸下电机气隙谐波分量大小变化规律，计算推导出以结构件尺寸为变量的电机电磁噪声变化函数； 步骤5)电机气隙谐波磁场与磁密波分量数值计算分析:计及不同组件材料的弹性模量和泊格比，电机工作频率下多阶振动模态数值计算，得到定子铁心，绕组，转子等主要组件不同方向最大振动模态值和固有频率的解析表达函数，随电机尺寸的变化； 步骤6)确定函数基本约束条件，确定变量变化范围； 步骤7)加权； 步骤8)通过计算找出最优解； 步骤9)按照得到最优解的结构件尺寸变量完善电机整体设计方案； 步骤10)绘制电机各组件加工图纸，线切割模具，冲模、叠压、绕线、嵌线、浸漆、装配，试验测定电机实际电磁、温升、振动和噪声等指标合格后，方案定型并批量生产。
2.根据权利要求1所述的数值计算与解析分析相结合参数协同优化电机设计方法，其特征在于: 结构件尺寸变量:X= (X1, χ2, χ3......., xk)τ; 电磁性能解析表达函数簇:Fe=(fel, fe2, fe3,......，fen)； 最高工作温度变化函数:F
tmax (ftmaxl，ftmax2，ftmax3，，-^tmaxm^ ? 最大温差变化解析函数: Ftdet (ftdetl? ftdet2? ftdet3?，-^"tdetni^ ? 最大热应力解析表达函数:Fsmax= (fsmaxl，fsmax2, fsmaxS,…，LaJ ； 电机电磁噪声变化函数:Fm=(fm)；
取大振动值=Fmmax (fniiiiaxlJ fmmax2，fmmax3， ，-^mmaxp^ ? 固有频率的解析表达函数:Fif=(fm, fif2, fif3,......，fifp)。
3.根据权利要求1或2所述的数值计算与解析分析相结合参数协同优化电机设计方法，其特征在于所述步骤6)还包括:确定函数基本约束条为:电磁性能高于原设计FOTd〈Fe，温度、振动和噪声性能低于设计性能极限要求Ftmax，Ftdet, Fsmax, Fen, F_x〈Fot。
4.根据权利要求1所述的数值计算与解析分析相结合参数协同优化电机设计方法，其特征在于所述步骤7)还包括:经过加权集合，使得上述电磁输出性能参数函数，温度分布函数，热应力函数，电磁噪声函数，振动固有频率函数集成为单一综合优化目标优化函数，加权因子Oi满足
5.根据权利要求1所述的数值计算与解析分析相结合参数协同优化电机设计方法，其特征在于所述步骤7)还包括:子目标函数加权运算采用非均衡相对双向加权方法改造目标函数，根据优化目标主次轻重分配不同的加权系数Oi古ω。(0<i< j，0<c ( j)，凸出优化目标系中的重点对象；同时取额定工况下各值为基准修正加权系数(0'=% ( Q<i句.)，消除各种物理性能参数本身数值大小对优化结果的影响；根据性能指标要求对提高和降低目标分别采用正权数和负权数，统一优化函数极值目标方向，归一为极大值或极小值搜寻。
6.根据权利要求3所述的数值计算与解析分析相结合参数协同优化电机设计方法，其特征在于还包括: 采用优化算法找出单一综合优化目标优化函数G全局最优解，优化设计出电机各方面性能统筹最优的组件尺寸
7.根据权利要求1所述的数值计算与解析分析相结合参数协同优化电机设计方法，其特征在于所述步骤8)还包括:采用改进型智能优化算法进行全局寻优；所述的改进型智能优化算法，引入了量子计算，采用量子旋转门更新量子比特，进行算子速度和位置的更新，利用量子非门实现量子比特的变异，增加算子种群的多样性；同时采用自适应迭代代数，散乱数据交叉、高斯变异策略和前向迁移方式；与传统的智能优化算法相比，具有更好的种群多样性，全局寻优能力和更快的收敛速度；所述的智能优化算法包括但不仅限于遗传算法、蚁群算法、粒子群算法、免疫算法等。
8.根据权利要求1或2所述的数值计算与解析分析相结合参数协同优化电机设计方法，其特征在于还包括:归纳出的结构件尺寸为三维尺寸，针对电机结构组件空间结构进行优化设计，结构件三维尺寸变量函数为X=U1, χ2? χ3?......，Xk;yi，y2J y3J......，Yk;zi，z.3，......，Zk) °
【文档编号】G06F17/50GK103793559SQ201410020935
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年1月16日 优先权日:2014年1月16日
【发明者】张晓晨, 李伟力, 曹君慈, 邱洪波, 李栋, 曹钊滨, 王耀玉 申请人:北京交通大学