摘要：將改進(jìn)型非支配排序遺傳算法應(yīng)用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，縮短電機(jī)設(shè)計(jì)周期，提高電機(jī)設(shè)計(jì)智能化程度。以效率和功率密度****為目標(biāo)，構(gòu)建了基于NsGAⅡ的電機(jī)多目標(biāo)優(yōu)化模型，采用vs2010開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行了優(yōu)化軟件的開(kāi)發(fā)，進(jìn)行了一臺(tái)50 w無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用有限元分析軟件Maget驗(yàn)證了該算法在電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的有效性。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)；Magnet
0引 言
近年來(lái)，針對(duì)采用傳統(tǒng)磁路法進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)且需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)不斷調(diào)整參數(shù)的缺點(diǎn)，因而電機(jī)優(yōu)化設(shè)汁得到了廣泛的關(guān)注。電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)從特定的優(yōu)化日標(biāo)出發(fā)，在滿足電機(jī)各項(xiàng)基本性能指標(biāo)的前提下，根據(jù)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，利用相關(guān)的****化算法自動(dòng)快速地尋找電機(jī)的****設(shè)計(jì)方案(即電機(jī)設(shè)計(jì)尺寸、電磁參數(shù)等)，使某項(xiàng)電機(jī)性能或某些技術(shù)指標(biāo)達(dá)到****[1]。文獻(xiàn)[2]針對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)算法存在的優(yōu)化結(jié)果對(duì)初始解敏感、容易收斂于初始解附近的局部極值點(diǎn)等問(wèn)題，詳細(xì)分析了以遺傳、免疫算法為代表的新的全局優(yōu)化方法及其在電機(jī)優(yōu)化領(lǐng)域的應(yīng)用情況，闡述了其不同丁二傳統(tǒng)優(yōu)化算法的特點(diǎn)。
NsGAⅡ[3]算法在NsGA[4](非支配排序遺傳算法)的基礎(chǔ)上，提出新的基于分級(jí)的快速非支配排序算法，有效地降低了算法復(fù)雜度；采用擁擠度的概念，以避免復(fù)雜的共享適應(yīng)參數(shù)的計(jì)算；同時(shí)引入保優(yōu)機(jī)制，擴(kuò)大了采樣空間，能夠迅速提高種群的整體水平。電機(jī)模型是一個(gè)多變量、非線性函數(shù)，其優(yōu)化設(shè)計(jì)可以描述為有約束、非線性混合離散多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題。NsGA一Ⅱ算法適合于多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，它應(yīng)用于電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，能夠快速準(zhǔn)確地收斂于全局****點(diǎn).本文采用NsGA一Ⅱ算法進(jìn)行無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)高效率和高功率密度多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，可以縮短電機(jī)設(shè)計(jì)周期，提高電機(jī)設(shè)計(jì)的智能化程度。
1電機(jī)多目標(biāo)優(yōu)化建模及分析
1.1變量選取電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)較多，為使參數(shù)優(yōu)化易于實(shí)現(xiàn)，通常選取10個(gè)以內(nèi)的參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，其余作為常量對(duì)待。本文選取9個(gè)電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)作為優(yōu)化變量進(jìn)行分析，如下：
式中：δ是氣隙厚度；DH是電樞內(nèi)徑；Lm2是鐵心長(zhǎng)度；hm2是水磁體厚度；ao是計(jì)算極弧系數(shù)；bo是定定轉(zhuǎn)了‘鐵心的軟磁材料采用常用的冷軋硅鋼片Dw310—35，其直流磁化曲線與損耗曲線如圖1所示[5]。永磁體材料采用燒結(jié)釹鐵硼N50M，剩磁為1.40 T，磁感矯頑力1 042 kA／m，內(nèi)稟矯頑力1
114 kA／m，****工作溫度100℃。為有效利用磁性材料，提高電機(jī)功率密度，期望Dw310一35工作磁感應(yīng)強(qiáng)度為1．6 T。
2電機(jī)優(yōu)化算法的實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析
本文在Vs2010平臺(tái)下開(kāi)發(fā)了如圖3所示的基于NsGA一Ⅱ的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)化沒(méi)計(jì)軟件：圖形界面中可對(duì)電機(jī)總體參數(shù)和預(yù)取的期望變量進(jìn)行直接賦值，待優(yōu)化自變量可以預(yù)設(shè)優(yōu)化區(qū)間。
本文采用所開(kāi)發(fā)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件．以效率****與功率密度****為目標(biāo)對(duì)一臺(tái)50 w無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了電磁參數(shù)優(yōu)化，其額定數(shù)據(jù)如表1所示。優(yōu)化前有方案對(duì)比如表2所示。
經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，該無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)效率由74．79％提升為79 84％。功率密度由202 w／kg提高為217 w／kg。
3有限元結(jié)果驗(yàn)證
本文采用加拿大Infolytica公司的三維電磁場(chǎng)分析軟件Magnet構(gòu)建如圖4所示的電機(jī)模型，進(jìn)行50 w無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)優(yōu)化前后的對(duì)比分析。
優(yōu)化前后氣隙磁密曲線，可以看到優(yōu)化后電動(dòng)機(jī)氣隙平均磁密相比優(yōu)化前提高8 5％，能夠更加有效地發(fā)揮永磁體效能，提高電機(jī)功率密度。
圖6為優(yōu)化前后電動(dòng)機(jī)負(fù)載起動(dòng)曲線�？梢钥闯鰞�(yōu)化方案減小了機(jī)電時(shí)間常數(shù)，提高了其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。
4結(jié)語(yǔ)
NsGA一Ⅱ算法作為一種啟發(fā)式的搜索算法，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是面向多同標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的應(yīng)用更加廣泛。本文采用改進(jìn)型非支配排序遺傳算法(ⅣsGA一Ⅱ)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)電磁模型準(zhǔn)確分析的基礎(chǔ)上，建立了電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)算法，開(kāi)發(fā)r電機(jī)優(yōu)化軟件。采用所開(kāi)發(fā)的優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，對(duì)一臺(tái)50 w無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，Magnet有限兀分析結(jié)果驗(yàn)證了其在提島電機(jī)效率、提升電機(jī)功率密度方面的有效性。
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