[发明专利]闭合绕组永磁无刷直流电机优化设计方法

摘要

本发明涉及一种基于差分进化算法和有限元时步法的闭合绕组永磁无刷直流电机优化设计方法。根据闭合绕组永磁无刷直流电机的特殊性，同时考虑电机的本体与控制部分，将系统的转矩密度和单位转矩的成本作为优化目标；并且将并联支路环流、功率因数、效率、转矩输出和波动、发热、结构强度等作为约束条件。对每一代设计方案通过变异、交叉和选择操作，进行差分进化，不断更新Pareto最优解集；同时为了保证设计的精确性，利用有限元时步法对闭合绕组永磁无刷直流电机进行精确动态仿真计算。本发明为闭合绕组永磁无刷直流电机的设计优化，提供了一种可靠且精确的方法，加快了该种新电机的开发。

主权项

1.一种闭合绕组永磁无刷直流电机优化设计方法，其特征在于，所述该方法包括下列步骤：第一步：确定差分进化算法参数和所采用的具体策略：变异因子F、交叉概率CR、种群规模NP、最大进化代数G_max和终止条件；第二步：针对闭合绕组永磁无刷直流电机的结构，确定电机的待优化设计变量，建立目标函数方程和约束函数方程；确定电机的待优化设计变量，并构造D维实数变量空间X=[x¹,x²,...,x^D]，X∈R^D，如极对数、定子外径、定子轭部、转子轭部、气隙宽度、电机长度、永磁体厚度、极弧系数、齿宽、槽开口宽等，并且设定变量的取值边界xLⁱ≤xⁱ≤xHⁱ（i=1,...,D)，xL为变量的取值下限，xH为变量的取值上限；结合电机本体与控制，选取整个系统的转矩密度和单位转矩的成本作为优化目标，建立目标函数方程minF(X)=min[f₁(X),f₂(X),...,f_n(X)]，f(X)为优化目标函数；选取并联支路环流、功率因数、效率、转矩输出、转矩波动、发热、结构强度等作为约束条件，建立约束方程G(X)=[g₁(X),g₂(X),...,g_m(X)]≤0，g(X)为约束函数；第三步，基于差分进化算法和有限元时步法，对电机进行优化设计：利用有限元时步法的数值仿真技术，对种群中每个闭合绕组永磁无刷直流电机的个体进行精确计算，根据仿真计算的结果，对种群进行交叉、变异和选择，形成新一代种群，不断进化；同时，根据现有种群的有限元时步法计算结果，更新Pareto最优解集，最终得到优化设计方案解集；第三步具体实现步骤如下：（1）初始化种群，利用随机函数rand[0,1]，生成初代种群：xi,1j=randij[0,1](xHj-xLj)+xLj,(i=1,...,NP;j=1,...,D)]]>（2）变异操作：对第G(G=1,...,G_max)代种群即当代种群中的个体X_i,G(i=1,2...,NP)，根据变异因子F，和种群中任意三个不同的个体，产生一个新的个体Xr3,Gk+F(xr2,Gk-xr1,Gk);]]>（3）交叉操作：对新生成的个体，根据交叉概率CR，按照交叉策略使新旧个体互相交换部分代码，即ui,Gk=xr3,Gk+F(xr2,Gk-xr1,Gk)randk[0,1]≤CRxi,Gkrandk[0,1]>CR,]]>其中，k∈{1,...,D}，r1,r2,r3∈{1,...,NP}，且r1≠r2≠r3；（4）对步骤（3）新形成的矢量U_i,G，判断其每一维是否超出待优化问题参数的搜索空间[xL^k,xH^k]，并将超出的各维用搜索空间的相应维，利用随机函数重新赋值：ui,Gk=randik[0,1](xHk-xLk)+xLk]]>从而得到试验个体U_i,G；（5）数值仿真：对当代种群的个体X_i,G和试验个体U_i,G所代表的闭合绕组永磁无刷直流电机设计方案，进行有限元时步法建模，并进行数值仿真，最终，求得个体的约束值G(X_i,G)、G(U_i,G)和目标值F(X_i,G)、F(U_i,G)；（6）评价选择：根据数值仿真的计算结果G(X_i,G)、G(U_i,G)、F(X_i,G)、F(U_i,G)，比较U_i,G和X_i,G的适应度，若U_i,G的适应度优于X_i,G，在下一代种群中就用U_i,G取代X_i,G，否则保留X_i,G，即：从而形成新一代种群X_i,G+1；（7）令G=G+1，更新当代种群；（8）根据当代种群中所有个体的有限元时步法仿真计算结果，更新Pareto最优解集，判断是否已有最优解满足优化目标或达到最大进化代数，如是则终止进化，退出优化程序，否则重复执行步骤（2）至（8），继续进行优化；第四步，对最优方案集中的闭合绕组永磁无刷直流电机，根据其机械加工、装配工艺，得到电机的实际最优设计。