數值計算與解析分析相結合參數協同優化電機設計方法技術

本發明專利技術屬于電氣技術領域，具體涉及數值計算與解析分析相結合參數協同優化電機設計方法，采用數值計算研究電機內電磁、溫度、流體、熱應力、振動、噪聲等物理參量變化，歸納出以結構件尺寸為變量的電磁性能解析表達函數簇，不同組件最高工作溫度和最大溫差解析函數，最大熱應力解析表達函數，電機電磁噪聲變化函數，組件不同方向最大振動模態值和固有頻率的解析表達函數，進而統籌綜合考慮電機各方面性能開展結構件尺寸的精細化設計，大幅度提高各項性能指標計算準確性；采用非均衡相對雙向加權方法改造目標函數，消除了不同性能指標本身數值大小對結算結果的影響；在智能優化算法中引入了量子計算，使算法具有更好的種群多樣性，全局尋優能力和更快的收斂速度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于電氣
，具體涉及數值計算與解析分析相結合參數協同優化電機設計方法。
技術介紹
電機的氣隙大小、齒槽形狀等結構不僅影響到電機的磁路結構和輸出性能參數，同時關系到流經電機內冷卻空氣的風路和熱導路徑，進而影響溫度分布；另一方面，電機齒槽、鐵心和磁極等結構尺寸變化會引起氣隙磁場的諧波成分改變，從而對電機運行時電磁噪聲和振動產生影響。電機結構件直接關系到尺寸磁路、熱導路徑和冷卻介質流體路徑，在電機基礎設計和優化設計中應該統籌考慮結構尺寸對電磁、溫度、振動和噪聲各方面性能影響。現有電機優化設計方法較少考慮上述問題，存在的缺陷有：1）現有電機優化設計多針對提高電磁、溫度、振動和噪聲等某一方面性能開展，未考慮優化方案對電機其他方面性能影響；2）現有電機優化設計方法多基于“磁路”“熱路”等解析計算程序開展，沒有考慮磁場、溫度場、振動模態等具體分情況，無法考慮結構件尺寸變化引起各物理參量細微分布變化；3）針對多目標多變量大數據計算量的電機優化設計，現有優化算法在全局收斂性和迭代速度方面存在不足。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供數值計算與解析分析相結合參數協同優化電機設計方法。為了實現上述專利技術目的，本專利技術提出了數值計算與解析分析相結合參數協同優化電機設計方法，包括以下步驟：步驟1）非線性電磁場計算分析：通過電機內非線性電磁場數值計算，得到電機磁場分布和電磁性能參數隨電機結構件尺寸變規律，歸納出以結構件尺寸為變量的電磁性能解析表達函數簇；步驟2）電磁、流體、溫度多重收斂迭代物理場耦合分析：通過電機內電磁、流體、溫度多重收斂迭代物理場耦合計算，確定電機全域瞬態溫度分布規律，找出電機不同組件最高工作溫度和最大溫差隨結構尺寸變化規律，歸納總結出以結構件尺寸為變量的不同組件最高工作溫度變化函數和最大溫差變化解析函數；步驟3）全域瞬態熱應力場分析：考慮不同組件材料的導熱系數和膨脹系數，基于電機全域瞬態溫度場得到工作時電機內其膨脹或收縮受阻的熱應力分布，歸納總結出以結構件尺寸為變量的不同組件最大熱應力解析表達函數；步驟4）工作頻率下多階振動模態數值計算：數值計算不同結構件尺寸下電機氣隙諧波分量大小變化規律，計算推導出以結構件尺寸為變量的電機電磁噪聲變化函數；步驟5）電機氣隙諧波磁場與磁密波分量數值計算分析：計及不同組件材料的彈性模量和泊格比，電機工作頻率下多階振動模態數值計算，得到定子鐵心，繞組，轉子等主要組件不同方向最大振動模態值和固有頻率的解析表達函數，隨電機尺寸的變化；步驟6）確定函數基本約束條件，確定變量變化范圍；步驟7）加權；步驟8）通過計算找出最優解；步驟9）按照得到最優解的結構件尺寸變量完善電機整體設計方案；步驟10）繪制電機各組件加工圖紙，線切割模具，沖模、疊壓、繞線、嵌線、浸漆、裝配，試驗測定電機實際電磁、溫升、振動和噪聲等指標合格后，方案定型并批量生產。結構件尺寸變量：X=(x1,x2,x3,......,xk)T；電磁性能解析表達函數簇：Fe=(fe1,fe2,fe3,……,fen)；最高工作溫度變化函數：Ftmax=(ftmax1,ftmax2,ftmax3,……,ftmaxm)；最大溫差變化解析函數：Ftdet=(ftdet1,ftdet2,ftdet3,……,ftdetm)；最大熱應力解析表達函數：Fsmax=(fsmax1,fsmax2,fsmax3,…,fsmaxo)；電機電磁噪聲變化函數：Fen=(fen)；最大振動模態值：Fmmax=(fmmax1,fmmax2,fmmax3,……,fmmaxp)；固有頻率的解析表達函數：Fif=(fif1,fif2,fif3,……,fifp)。所述步驟6）還包括：確定函數基本約束條為：電磁性能高于原設計Feod<Fe，溫度、振動和噪聲性能低于設計性能極限要求Ftmax，Ftdet，Fsmax，Fen，Fmmax<For。所述步驟7）還包括：經過加權集合，使得上述電磁輸出性能參數函數，溫度分布函數，熱應力函數，電磁噪聲函數，振動固有頻率函數集成為單一綜合優化目標優化函數，加權因子ωi滿足所述步驟7）還包括：子目標函數加權運算采用非均衡相對雙向加權方法改造目標函數，根據優化目標主次輕重分配不同的加權系數ωi≠ωc（0＜i≤j，0＜c≤j），凸出優化目標系中的重點對象；同時取額定工況下各值為基準修正加權系數消除各種物理性能參數本身數值大小對優化結果的影響；根據性能指標要求對提高和降低目標分別采用正權數和負權數，統一優化函數極值目標方向，歸一為極大值或極小值搜尋。采用優化算法找出單一綜合優化目標優化函數G全局最優解，優化設計出電機各方面性能統籌最優的組件尺寸minX∈DG(X)=mini=1jωifi(X),X∈RnD={X|Fod<Fj(X)<For,j=n+m+o+p本文檔來自技高網...

【技術保護點】
數值計算與解析分析相結合參數協同優化電機設計方法，其特征在于包括以下步驟：步驟1）非線性電磁場計算分析：通過電機內非線性電磁場數值計算，得到電機磁場分布和電磁性能參數隨電機結構件尺寸變化規律，歸納出以結構件尺寸為變量的電磁性能解析表達函數簇；步驟2）電磁、流體、溫度多重收斂迭代物理場耦合分析：通過電機內電磁、流體、溫度多重收斂迭代物理場耦合計算，確定電機全域瞬態溫度分布規律，找出電機不同組件最高工作溫度和最大溫差隨結構尺寸變化規律，歸納總結出以結構件尺寸為變量的不同組件最高工作溫度變化函數和最大溫差變化解析函數；步驟3）全域瞬態熱應力場分析：考慮不同組件材料的導熱系數和膨脹系數，基于電機全域瞬態溫度場得到工作時電機內其膨脹或收縮受阻的熱應力分布，歸納總結出以結構件尺寸為變量的不同組件最大熱應力解析表達函數；步驟4）工作頻率下多階振動模態數值計算：數值計算不同結構件尺寸下電機氣隙諧波分量大小變化規律，計算推導出以結構件尺寸為變量的電機電磁噪聲變化函數；步驟5）電機氣隙諧波磁場與磁密波分量數值計算分析：計及不同組件材料的彈性模量和泊格比，電機工作頻率下多階振動模態數值計算，得到定子鐵心，繞組，轉子等主要組件不同方向最大振動模態值和固有頻率的解析表達函數，隨電機尺寸的變化；步驟6）確定函數基本約束條件，確定變量變化范圍；步驟7）加權；步驟8）通過計算找出最優解；步驟9）按照得到最優解的結構件尺寸變量完善電機整體設計方案；步驟10）繪制電機各組件加工圖紙，線切割模具，沖模、疊壓、繞線、嵌線、浸漆、裝配，試驗測定電機實際電磁、溫升、振動和噪聲等指標合格后，方案定型并批量生產。...

【技術特征摘要】
1.數值計算與解析分析相結合參數協同優化電機設計方法，其特征
在于包括以下步驟：
步驟1）非線性電磁場計算分析：通過電機內非線性電磁場數值
計算，得到電機磁場分布和電磁性能參數隨電機結構件尺寸變化規
律，歸納出以結構件尺寸為變量的電磁性能解析表達函數簇；
步驟2）電磁、流體、溫度多重收斂迭代物理場耦合分析：通過
電機內電磁、流體、溫度多重收斂迭代物理場耦合計算，確定電機
全域瞬態溫度分布規律，找出電機不同組件最高工作溫度和最大溫
差隨結構尺寸變化規律，歸納總結出以結構件尺寸為變量的不同組
件最高工作溫度變化函數和最大溫差變化解析函數；
步驟3）全域瞬態熱應力場分析：考慮不同組件材料的導熱系數
和膨脹系數，基于電機全域瞬態溫度場得到工作時電機內其膨脹或
收縮受阻的熱應力分布，歸納總結出以結構件尺寸為變量的不同組
件最大熱應力解析表達函數；
步驟4）工作頻率下多階振動模態數值計算：數值計算不同結構
件尺寸下電機氣隙諧波分量大小變化規律，計算推導出以結構件尺
寸為變量的電機電磁噪聲變化函數；
步驟5）電機氣隙諧波磁場與磁密波分量數值計算分析：計及不
同組件材料的彈性模量和泊格比，電機工作頻率下多階振動模態數
值計算，得到定子鐵心，繞組，轉子等主要組件不同方向最大振動
模態值和固有頻率的解析表達函數，隨電機尺寸的變化；
步驟6）確定函數基本約束條件，確定變量變化范圍；
步驟7）加權；
步驟8）通過計算找出最優解；
步驟9）按照得到最優解的結構件尺寸變量完善電機整體設計方
案；
步驟10）繪制電機各組件加工圖紙，線切割模具，沖模、疊壓、
繞線、嵌線、浸漆、裝配，試驗測定電機實際電磁、溫升、振動和
噪聲等指標合格后，方案定型并批量生產。
2.根據權利要求1所述的數值計算與解析分析相結合參數協同優
化電機設計方法，其特征在于：
結構件尺寸變量：X=(x1,x2,x3,......,xk)T；
電磁性能解析表達函數簇：Fe=(fe1,fe2,fe3,……,fen)；
最高工作溫度變化函數：Ftmax=(ftmax1,ftmax2,ftmax3,……,ftmaxm)；...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張曉晨，李偉力，曹君慈，邱洪波，李棟，曹釗濱，王耀玉，
申請(專利權)人：北京交通大學，
類型：發明
國別省市：北京;11