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异步电机的优化设计新方法

作者:admin  来源:中国水利机械网 日期:2015-8-11 8:22:01

  异步电机的优化设计新方法孟朔,赵争鸣清华大学电机工程与应用电子技术系,北京100084摘,要4,对电机优化设计。与法的研究甩是米用新。出臾做过戮。为了1衫,数1以偶3经剿就应用到电。4计实践中。基铲的电=.寸圮1公式,提出了种新的优化设计策略,对自变量进行了适当选取,解决了传统优化设计中需要考虑的离散变量问,使全,的7生广提=夂两有的优沁订算明,方法是种有效的优化设计方法,适用于各种优化算法的牙兔文草编号105420006412044文献标识码人电机优化设计是个带不等式约束的非线性最优化问。可以被描述为其中为约束条件函数,是约束条件个数,是变量个数,叉是自变量矢量。

  数学模型的精度,即电磁计算程序的计算值与实际测量值之间的误差是否足够小。在这方面,己经有人做了大量的工作12,采用的等值电路及迭代算法已很成熟优化算法的选取,文1财几乎所有的算法进行了归纳,其它很多文献所做的工作是使这些算法更实甩在这些算法中,应用最多的是将约束问解等效的七约山问容的先进算法如离故直接搜索法义梭拟退火法FBTfastl,oundary咖,16哗法4等也被很好地应甩但是,所有的算法都必须通过改进来解决两个问个是算法的局部收敛,另个是变量的离散性机设计公式的革新和对优化变璜的适当选不,解决了变量离散性的问,而且使全局收敛率大大提高,适用于几乎所有的优化数值算法。

  1电机设计数学梭型1.1设计策略目前在设计流程上存在着两种方式传统设计法和直接设汁法,传统设计法遵循3个过程选定尺寸计算参数校技性能,这种方法通过了解冲机儿何尺寸和材料用量对参数性能的影响,在设计方案中进行择优,通过不断修改而得到最优的设计结果传统设计法要求设计人员对电机设计规律了解透彻,在设计中能抓住主要矛盾,找出解决问的调整措施在这种方法上建立的优化设计方法就是以某些最影响电机参数性能的关键尺寸为优化的自变量收稿日期2000蕃26直接设计法实际上是常规设计法的逆运算,及电磁性能确定以后,相关参数只在很小范围内变化,定子槽每槽铜面积具体几何尺寸也就被最终确定1它的过程可描述由1可以得到定产梢面枳为性能参数尺寸。这种设计方法需要大量统计现有产品经验数据作为依据,参数和尺寸的函数关系难以用数学模型来达,因此很少在其上建立优化设计方法设计思路是,先确定关键性能参数,由电机基本方程式呀到几料尺寸,再遵循传统设汁法得到参数和性能计兑的结梁,悠个过程可以波描述为关键性能确足几何,寸令参数校核性能,此法能在设计开始就对电机的设计结果有个初步掌握,电机的各部分尺寸可以完全按流程获得。通过计兑明。最初设定的参数性能与闱后校核结采相差很小,这些差距也是由于电机内部某些设计值的离故性造成的1.2主要尺寸的设计公式电机设计中的主要方程式是扣串联匝数,作为记,内径,乙为定干铁芯,训为极数,58为气隙磁密,户为额定输出功率,1为定子相数为定子输入相电压为定子额定相电流,2为电机效率80为功率因数。

  在传统的设计公式中,线负荷可为将频率与同步转速〃。相联系,可得从而得到电机主要尺寸的设计公式由定子磁负荷及和办可以求得定子齿宽和SfSjhyi度,夂为铁芯叠片系数再由定子槽尺寸几何关系和式8得到代入式7,并与式124联立,可得到新设计公式体积,再利用定转子径向尺寸之比,则可从有效体积分离出定子内径和铁芯长13,1显然,这种主要尺寸的设计公式并没有考虑到定子外定转子槽及定转子导体的设计,电机大部分尺寸的设计仍然需要靠经验来完成这里给出新的设计公式,用式7代替式3磁负荷相联系,只要确定了电机的电磁负荷,不仅电机的主要尺寸包括定子内外径和铁芯长能被确定,而且定子的槽形尺寸和定子用铜量也能被确定这使得电机设计中的经验成分大大减少。

  2优化变1的选取传统设计方法中的设计公式,优化变量般取为电机的关键尺寸和,数,如定广内径,铁芯以及每槽导体数2都是作为设计变量的;另外些对性能影响较大的量如定子槽宽,定子槽2.转子电流密度等也可以,为变量来处理这些变量基本上决定了电机的主要参数和性能,是目前绝大多数电机优化方法所采⑴的优化变成但足。这种变量的选取方法存在着3个不容忽视的缺点离散变量的存在使得大多数优化算法不能被直接使甩众所周知。铁芯长1每槽导体数2等变量由于加工的原因,必须是离散的。然而在大多数优化算法里。寻优都必须在连续空间进厅,这样。每个通用的算法,在电机优化过程中都变得不通用,有些算法在经过改进后可以解决离散问24,但有的算法被认为不适合于电机优化1优化变量与电机性能的影响关系并不能直观地现出来显然。如采要减少定子铜耗或减少铁耗。上述的优化变量并+能给出个直观的简洁的修改方法如果设计者不是经验丰富的专家,那么他很难迎过调整这些参数以到理想的设计方案,优化算法在优化变量的空间里很难达到全人她敛1如1所述,优化变量与屯机性能的关系并不直观,这使优化空间中存在着非常多的局部极值,想要越过这些局部极值点而找到全局的最大小点,给算法的选取带来了极大的困难,事实上,绝大多数化方法要解决这个,投采选择较好的初始点,使寻优过程不碰到4部极值点的办法,选取电机的电磁负荷和定转子槽的填铜率作为优化变量,能够以服以上所肓缺点。名虑到电机系列设计的因尜,选取优化变砧如下铜率显然,所有的优化变量邰妃连续说运用式13,电机其它的尺寸和参数都可以直接求得。由于优化空间是连续的,电机优化过程中不再需要对己有的算法进行修改,离散变量的问自然被解决电负荷的大小决定了电机定转子电阻和铜损,磁负荷的大小决定了电机的铁损和功率因数,电磁负荷,共同决定屯机的效率,填锏率决定了电机的用材铜量和价格,又近似反映了槽满率这种参数山于优化变啁与电机性能间的交叉影响大大减化算法在全局收敛的可能性提高了。不改变算法,只改变优化变量空间就能解决传统优化中局部收问3优化数学模型及数值算法3.1目标函数中所有被关注的性能,建立了十几个目标函数用于设计和研,其中包括材料用量有效材料费效率功率因数最大转矩起动转矩起动电流以及热负荷等这些目标函数不定完全用于设计工作,但对它们的研究将有利于设计。

  3.2约束条件电机设计中所有设计参数的正常取值范围性能指标均构成约束范围约束。这部分约柬主要是为减少优化计算时间,防止优化计算过程出现异常;2电机性能约束。与传统优化方法柞1;3结构1艺及电磁参数约束,如铁芯长的范围最小槽形尺寸最高槽满率,受饱和限制的最高齿轭磁密等。

  山于新设计公式中对电机尺寸参数中的离散景做了动处理,如选线规选每槽导体数和付相串联匝数等所以新优化设计厅法中不含离散约柬条件3.3数值算法传统的电机优化设计中,选择合适的优化兑法以项屯货的厂作。因为电机设计的优化问是不等式约束的线性问,标函数和约束条忡般都不能成设计变量的显函数,所以电机设的优化算法邡选择接法而在直接法中,也不能都适用于电机优化设计,其中最大的困难就是变量的离,性和兑法的局部收敛本文在新厅法的基础对31法分,采用坐标轮换法1知糟法洲件法和单纯形法进行多维寻优复形算法网格兑法以及边界拽索算法进研究,研究明,采用新的设计公式和变量选取方法后,这些算法都可以直接用于电机优化设计,不需要再做适应于离散空间寻优的修改4算例木文选择采用51丁算法和复形兑法的优化结果为例,对新方法的效果进行验证优化对象算法最大转矩起动转矩起动电流热负荷用铜量优化前复形优化前复形目标函数取的是效率乙作为变频调速专用电机的设计,对起动性能的约束放宽从优化结果可以看出,采用新优化方法,5.算法和复形算法都能给出满意的结果。

  从两个算法的比较上说,复形算法优化效果更强,但它的缺点是初始点必须在可行域内有关算法文1 5结论计公式上与传统的设计方法截然不同,在新的设计公式基础上选,了有代性的优化变量,解决传统电机设的离散优化和局部收敛问新优化方法给厂设人员个选择优化算法的机会在此基础上可以进行算法研充优化变量的选择使得设计过程中对变量的调整变得更直观,有利子在其上建立专家系统和进行智能研究从本文的算例可以看出,新优化方法是种行之有效的方法1李隆年,王宝玲,周汝湟。电机设计刖。北京清华大学出2宁玉泉,钟长青。大型感应电动机的离散优化设计。中国oftheCSEE,1997,172129133.inChinese3黄哲理,赵光,汪国梁。模拟退火法在电机全局优化设计中书讯操作系统精髓与设计原理第3版该书力求使读者通晓近代操作系统的设计原理和实现问,兼顾操作系统的理论基础和实际技米主要内容包括进程多线程多处理系统微内核结构存储管理和进程调度包括多处理机调度和实时调度系统和文件系统分布式系统操作系统的安全问以及面向对象的设计技术书中选择的操作系统实例包括1樵1314,8,1也2,反映操作系统技术的当前水平。

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