多约束条件下基于PSO算法的高速电机转子拓扑优化方法

摘要

本发明实施例提供了一种多约束条件下基于PSO算法的高速电机转子拓扑优化方法，包括：给出电机的电磁设计参数；设计转子护套结构，选择相应护套材料；由原始尺寸确定初始计算方案，与可优化拓扑及其边界；计算热应力与机械应力得出护套厚度的极限设计区间；结合电机电磁特性确定不同转子拓扑的等效模型；采用智能算法与磁路耦合的方法进行基于效率的优化设计；使用电磁场有限元法细化计算结果，校核等效拓扑的合理性；通过最优方案下的温度分布，检验拓扑分配的有效性；对优化后高速电机运行性能和电机最高温度与原始方案比较分析。本发明实现了电机高速运行下的高性能电磁要求，降低电机最高温度，满足转子高速运行时应力设计要求。

说明书

技术领域

本发明涉及电机系统节能技术领域，尤其涉及一种多约束条件下基于PSO算法的高速电机转子拓扑优化方法。

背景技术

PSO(Particle Swarm Optimization，粒子群算法)属于进化算法的一种，和模拟退火算法相似，它也是从随机解出发，通过迭代寻找最优解，通过适应度来评价解的品质，它通过追随当前搜索到的最优值来寻找全局最优。这种算法以其实现容易、精度高、收敛快等优点引起了学术界的重视，并且在解决实际问题中展示了其优越性。粒子群算法是一种并行算法。PSO的优势在于简单容易实现并且没有许多参数需要调整。目前已广泛应用于函数优化，神经网络训练，模糊系统控制以及其他遗传算法的应用领域。

拓扑优化是以材料分布为优化对象，通过拓扑优化，可以在均匀分布材料的设计空间中找到最佳的分布方案。

高速永磁电机具有转速高、功率密度高的特点，在许多关键领域有十分重要的作用。通常转子外圈会套有护套，以抵制高转速引起的表面离心力过大，不同的护套厚度会产生不同的涡流，进而会带来相应的热问题。

为了实现对高速电机的高效应用，有必要设计一种多约束条件下高速电机高效应用的拓扑智能分配方法，基于PSO算法，对高速电机转子的材料分布进行拓扑优化。

发明内容

本发明的实施例提供了一种多约束条件下基于PSO算法的高速电机转子拓扑优化方法，以解决上述背景技术中的问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

本发明的实施例提供的一种多约束条件下基于PSO算法的高速电机转子拓扑优化方法，其特征在于，包括：

步骤1：根据电机的实际运行工况要求，给出电机的电磁设计目标参数与基本结构，确定优化目标函数；

步骤2：保证电机基本性能参数不变的情况下，确定护套的基本结构和材料；

步骤3：在初始模型和计算目标基础上，保证多约束条件不变，采用电磁计算，得出可优化拓扑与边界条件，并根据热应力与机械应力计算出护套的应力优化区间；

步骤4：根据所述电磁设计目标参数与基本结构，以及所述护套的基本结构和材料，结合电机电磁特性确定不同转子拓扑的等效模型，进行基于改进PSO算法的磁路计算，并通过不同粒子种群迭代得到优化区间内的最优目标；

步骤5：使用电磁场有限元法校核磁路计算的结果和等效模型的合理性，验证磁路计算与实际结果的跟随精度，若满足精度要求则继续计算，否则返回所述磁路计算重新计算；

步骤6：采用温度场有限元法对电机温度进行校核计算，检验拓扑分配的有效性，对优化后高速电机运行性能和电机最高温度与原始方案比较分析。

优选地，所述的根据电机的实际运行工况要求，给出电机的电磁设计目标参数与基本结构，确定优化目标函数，包括：

所述实际运行工况要求包括：电机的工作时间与相应的转矩和转速；

所述电磁设计目标参数包括：不同转速下的电机功率、效率、功率因数、起动转矩和制动转矩；

所述基本结构包括：电机三圆尺寸、定转子槽型尺寸、绕组形式和冷却方式；

所述优化目标函数是以效率为目标的优化函数。

优选地，所述的保证电机基本性能参数不变的情况下，确定护套的基本结构、材料和可行厚度区间，包括：

保证电机基本性能参数不变的情况下，确定护套的基本结构、材料和可行厚度区间，综合考虑电机高速运行时转子表面所受到的拉应力易引起不可逆形变、不同厚度的护套有不同的电磁响应，以及不同拓扑的护套对涡流有不同的抑制作用；

所述基本性能参数包括：功率因数、起动电流、起动转矩、线负荷和热负荷；

电机高速运行时转子表面的拉应力较大，易造成外表面的永磁体脱离或转子槽口破裂，护套的材料、厚度与结构会对转子造成不同程度的涡流损耗继而引起转子发热。

优选地，所述的在初始模型和计算目标基础上，保证多约束条件不变，采用电磁计算，得出可优化拓扑与边界条件，并根据热应力与机械应力计算出护套的应力优化区间，包括：

所述的初始模型是指未进行优化前的电机结构参数，所述优化目标函数是所述的计算目标的数学表达；

所述的保证多约束条件不变包括：保证功率因数、起动转矩和启动电流基本不变；

权衡对优化目标与其余性能的影响，选取所述定子槽参数、转子槽参数、绕组线规和永磁体尺寸的对应变量，并根据磁路计算得到所述对应变量的可优化区间；

所述护套的应力优化区间，在所述护套的基本结构、材料和可行厚度区间的基础上，根据热应力与机械应力计算得出。

优选地，所述的根据护套的基本结构、材料和可行厚度区间，以及所述可优化参数与可优化区间，得到电机各个部分与不同拓扑的护套在磁路计算中的等效模型，进行基于改进PSO算法的磁路计算，通过不同粒子种群迭代得到优化区间内的最优目标，包括：

将不同拓扑的护套参与到磁路设计中，确定在步骤3的多个约束条件下的优化目标，改进PSO算法中由于随机性引起求解结果的局部最优问题，在此基础上进行磁路迭代计算，利用优化算法的寻优优势找到多种约束下的最优目标。

优选地，所述的使用电磁场有限元法校核磁路计算的结果和等效模型的合理性，验证磁路计算与实际结果的跟随精度，若满足要求则继续计算，否则返回所述磁路计算重新计算，包括：

使用电磁场有限元法，校核磁路法计算中铜耗、铁耗、机械损耗、效率以及功率因数的准确性，保证所述电磁场有限元法和所述磁路法两种计算方法的误差符合要求，并校核不同拓扑的护套在磁路计算的等效模型中的合理性。

优选地，所述的采用温度场有限元法对电机温度进行校核计算，检验拓扑分配的有效性，对优化后高速电机运行性能和电机最高温度与原始方案比较分析，包括：

采用温度场有限元法，对步骤5中校核合格的等效模型进行温度有限元计算，若电机内各部件的温度值在温度限额内，则进行护套应力分析，否则转到所述步骤3中重新确定护套的所述应力优化区间。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过设计了一种多约束条件下基于PSO算法的高速电机转子拓扑优化方法，将电机中的非常规部件进行等效处理，通过粒子群算法与电机磁路计算相结合的方式，进行高速电机的优化设计，达到保持电机基本性能不变条件下的效率与功率因数优化设计的目标。针对高速电机设计时转子护套结构难以确定的问题提出了解决方案，加快了寻优速度。将优化前后的计算结果通过电磁场有限元法校验，并以温度场和护套应力计算结果作为电机整体优化设计结果分析。本发明能够实现对高速永磁电机的优化设计。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这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

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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种多约束条件下基于PSO算法的高速电机转子拓扑优化方法的处理流程图；

图2为本发明实施例提供的一种多约束条件下基于PSO算法的高速电机转子拓扑优化方法的高速永磁电机的二维电磁场求解模型图；

图3为本发明实施例提供的一种多约束条件下基于PSO算法的高速电机转子拓扑优化方法的高速永磁电机的二维温度场求解模型图。

具体实施方式

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。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“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“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“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。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(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，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以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。

实施例一

本发明实施例提供了一种多约束条件下基于PSO算法的高速电机转子拓扑优化方法，以实现高速永磁电机的优化设计。

本发明实施例提供的一种多约束条件下基于PSO算法的高速电机转子拓扑优化方法的处理流程图如图1所示，具体可以包括如下步骤：

步骤1：根据电机实际运行工况要求，给出电机的电磁设计目标参数与基本结构，确定优化目标函数。

实际运行工况包括：电机工作时间与相应的转矩、转速。

电磁设计目标参数包括：不同转速下的电机功率、效率、功率因数、起动转矩、制动转矩。

基本结构包括：电机三圆尺寸、定转子槽型尺寸、绕组形式、冷却方式。其中，需确保电机三圆尺寸不变，即定子外径、定子内径及转子内径尺寸不能改变。

优化目标函数以效率为目标。

步骤2：保证电机基本性能参数不变的情况下，综合考虑电机高速运行时转子表面所受到的拉应力易引起不可逆形变、不同厚度的护套有不同的电磁响应、不同拓扑的护套对涡流有不同的抑制作用等问题，确定护套基本结构与材料。

其中，基本性能包括：功率因数、起动电流、起动转矩、线负荷及热负荷。

此外，电机高速运行时转子表面的拉应力较大，易造成外表面的永磁体脱离或转子槽口破裂，然而护套的材料、厚度与结构会对其造成不同程度的涡流损耗继而引起转子发热。

步骤3：在步骤1给出的电机的电磁设计目标参数与基本结构，以及优化目标函数的基础上，保证功率因数、起动转矩、启动电流等约束条件基本不变，由电磁计算确定可优化拓扑与边界条件，其中护套的优化区间在步骤2确定护套基本结构与材料的基础上，根据热应力与机械应力计算得到。可优化拓扑指的是可以优化的结构参数，边界条件是指对应的参数范围。

可优化拓扑其中，改变定子槽型参数、转子槽参数、绕组线规、永磁体尺寸会对电机性能产生较大影响，权衡选取影响优化目标与其余性能的对应变量，根据磁路计算求取对应变量的可优化区间。

根据步骤1和2的拓扑设计，得出不同的等效数学模型，确定以效率为目的的优化目标与约束条件，进行基于改进PSO算法的电机磁路计算，通过不同粒子种群迭代得到优化区间内的最优目标；其中，将不同拓扑的护套参与到磁路设计中，确定在步骤3的多个约束条件下的优化目标，改进PSO算法中由于随机性引起求解结果的局部最优问题，在此基础上进行磁路迭代计算，利用优化算法的寻优优势找到多种约束下的最优目标。

步骤5：在步骤4得到的优化基础上，再使用电磁场有限元法校核磁路法的计算结果和数学模型等效的合理性，验证磁路计算与实际结果的跟随精度，若可以满足要求，则转到步骤5继续计算，否则返回步骤4重新进行优化计算；其中，使用计算精度更高的电磁场有限元法校核磁路计算中铜耗、铁耗、机械损耗、效率、功率因数的准确性，保证两种计算方法的误差符合要求，校核不同护套拓扑在磁路计算中等效模型的合理性。

步骤6：在步骤5通过电磁场有限元校验的基础上，采用温度场有限元法对电机温度进行校核计算，若电机内各部件的温度值在温度限额内，则进行护套应力分析，否则转到步骤3重新确定应力优化区间，其中，对步骤5中校核合格的等效模型进行温度有限元计算，并将热计算结果用于高速旋转下的护套应力计算，与原始方案对比验证优化效果。

实施例二

该实施例提供了一种多约束条件下基于PSO算法的高速电机转子拓扑优化方法，其具体实施方式如下：

该实施例提供了一种高速永磁电机的二维电磁场求解模型如图2所示，该图表示使用有限元方法计算优化后的电机电磁模型示意图。

该实施例提供了一种高速永磁电机的二维温度场求解模型如图3所示，该图表示将所述图2中所得到的损耗值用于计算电机温度场，所得到的模型示意图。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)给出了新的设计方法，将电机中的非常规部件进行等效处理，通过粒子群算法与电机磁路计算相结合的方式，进行高速电机的优化设计，达到保持电机基本性能不变条件下的效率与功率因数优化设计的目标。

(2)针对高速电机设计时转子护套结构难以确定的问题提出了解决方案，加快了寻优速度。

(3)采用优化前后的路算结果通过电磁场有限元法校验，并以温度场和护套应力计算结果作为电机整体优化设计结果分析。减小了计算时所产生的误差，最后得到的结果精确度更高。

综上所述，本发明实施例通过设计一种多约束条件下基于PSO算法的高速电机转子拓扑优化方法，将电机中的非常规部件进行等效处理，通过粒子群算法与电机磁路计算相结合的方式，进行高速电机的优化设计，达到保持电机基本性能不变条件下的效率与功率因数优化设计的目标。针对高速电机设计时转子护套结构难以确定的问题提出了解决方案，加快了寻优速度。将优化前后的计算结果通过电磁场有限元法校验，并以温度场和护套应力计算结果作为电机整体优化设计结果分析。本发明误差小、精确度高，实现了对高速永磁电机的优化设计。

本领域普通技术人员可以理解：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。

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，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以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以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以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，即可以理解并实施。

以上所述，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揭露的技术范围内，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以权利要求的保护范围为准。