（检测技术与自动化装置专业论文）单相串激电机多目标优化设计.pdf

摘复 捅要 随着人们越来越追求高品质的生活，电动工具和家用小电器的需求也大幅度 提高。单相串激电动机由于起动转矩大、转速高和体积小等特点，被广泛用于吸 尘器、搅拌机、吹风机、羊毛剪等家用电器和电动工具。然而国内串激电动机的 研发和制造能力明显滞后于市场需求，许多厂家还停留在仿造阶段。现有的电机 设计软件大多基于d o s 平台，界面不友好，功能单一，设计周期较长。因此研究 如何提高单相串激电动机的设计效率，降低材料成本和改善现有设计以满足设计 要求是该行业面临的主要课题。 针对这些问题，本文提出了单相串激电机多目标优化设计系统。以单相串激 电动机的电磁设计为基础。应用遗传算法，实现对电机效率和有效材料成本的多 目标优化，使设计电机方案的技术性能和经济性能指标更加合理。 本文阐述了单相串激电动机的结构、原理，对单相串激电动机的电磁设计的 发展、要求和注意的问题进行了详细介绍。介绍了遗传算法的基本原理，结合单 相串激电机具体情况，建立了基于遗传算法的单相串激电机多目标优化设计的数 学模型。采用面向对象的编程平台b o r l a n dc + + b u i l d e r ，编写了单相串激电机多 目标优化设计系统程序。 本文给出了单相串激电动机电磁设计实例，设计得到的结果和实测值偏差在 要求的范围内。设计系统程序具有较高的准确性和实用性。在此基础上，利用优 化设计程序对一台单相串激电动机进行了多目标优化设计，取得了很好的效果。 关键词：单相串激电机；多目标优化设计；遗传算法 ，。，：，! 。，：耋三些奎茎二兰坚茎堡! 些，：! ，。，。 a b s t r a c t w i t ht h eg r o w i n gd e s i r ef o rh i g h e rl i f eq u a l i t y , t h ed e m a n d sf o re l e c t r i ct o o l sa n d s m a l lh o m ea p p l i a n c e sa l s oi n c r e a s es i g n i f i c a n t l y d u et o b i gs t a r t i n gt o r q u e ，h i g h s p e e d ，s m a l ls i z ea n do t h e ra d v a n t a g e s ，s i n g l e - p h a s es e r i e sm o t o r sa r ew i d e l yu s e di n e l e c t r i ct o o l sa n de l e c t r i c a lh o u s e h o l da p p l i a n c e ss u c ha sv a c u u mc l e a n e r s ，b l e n d e r s ， h a i rd r y e ra n dw o o ls h e a r i n gt o o l s h o w e v e r , t h e r ei sag r e a tg a pb e t w e e nt h eh u g e m a r k e td e m a n d sa n dt h er e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r i n gc a p a c i t yi nt h i si n d u s t r yi no u r c o u n t r y m a n ym a n u f a c t u r e r sa r es t i l ls t u c ki nt h ec o p yp h a s e a tp r e s e n t ，t h ee x i s t e d d e s i g ns o f t w a r eo fm o t o r si sa l m o s tb a s e d0 1 1t h ep l a t f o r m d o s i th a ss o m e d i s a d v a n t a g e s ，s u c ha su n f r i e n d l yi n t e r f a c e ，s i n g l ef u n c t i o na n dl o n g e rd e s i g nc y c l e c o n s e q u e n t l y , h o wt or a i s ed e s i g ne f f i c i e n c yo fs i n g l e p h a s es e r i e sm o t o ra n dl o w e r m a t e r i a lc o s ta n di m p r o v ee x i s t i n gd e s i g n st om e e td e s i g nr e q u i r e m e n ti sa r ti m p o r t a n t i s s u et ob ef o c u s e do ni n t h i si n d u s t r y t or e s o l v et h i sp r o b l e m ，as i n g l e - p h a s em o t o rm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n s y s t e mw a sd e v e l o p e db a s e do nt h ee l e c t r o m a g n e t i cd e s i g n t h eg e n e t i ca l g o r i t h m ( g 国h a sb e e na p p l i e dt oa c h i e v et h em u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nf o rm o t o re f f i c i e n c y a n dt h ee f f e c t i v em a t e r i a lc o s t ，s oa st om a k et h et e c h n i c a ia n de c o n o m i c p e r f o r m a n c e i n d i c a t o r sa r em o r er e a s o n a b l e t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fs i n g l e - p h a s es e r i e sm o t o rw a sd e s c r i b e d t h e s t a t e - o f - a r ta n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fg e n e t i ca l g o r i t h m ( o a ) a n ds e r i e sm o t o r e l e c t r o m a g n e t i cd e s i g nw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ，r e s p e c t i v e l y am a t h e m a t i c a lm o d e l o fm u l t i o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o nf o rs i n g l e p h a s em o t o rw a sb u i l tb a s e do nt h e c o m b i n a t i o no fg e n e t i ca l g o r i t h ma n ds p e c i a lp r o p e r t i e so fs i n g l e p h a s em o t o r t h e s y s t e mp r o g r a mo fm u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nf o rs i n g l e - p h a s es e r i e sm o t o rw a s p r o g r a m m e db yu s i n go b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n gp l a t f o r m b o r i a n dc + + b u i l d e r a s i n g l e p h a s es e r i e sm o t o re l e c t r o m a g n e t i cd e s i g ne x a m p l ew a sg i v e n t h ed e s i g n v a l u e sa r ec o m p a r e dw i t ht h ea c t u a lv a l u e s t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed e v i a t i o n s b e t w e e nt h ed e s i g nv a l u e sa n da c t u a lv a l u e sa r ew i t h i nt h er a n g eo fd e s i g nr e q u i r e m e n t i i h e n c e ，i tw a sf o u n dt h a tt h ed e s i g ns y s t e mh a sh i g h e ra c c u r a c ya n dp r a c t i c a l i t y b a s e d o nt h i s ，t h em u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o c e s sf o rs i n g l e - p h a s es e r i e sm o t o rw a s p e r f o r m e db ym e a n so fo p t i m u md e s i g np r o g r a ma n d a g o o dr e s u l tw a s o b t a i n e d k e yw o r d s ：s i n g l e - p h a s es e r i e sm o t o r ：m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nd e s i g n ：g e n e t i c a l g o r i t h m 1 1 1 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学校论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字： 芳孑夕f 1 古 - 夕 号苷晶 砷年，月订日 第一章绪论 第一章绪论 世界各国开展电机的计算机辅助设计，即电机c a d ( c o m p u t e ra i d e d d e s i g n o fe l e c t r i cm a c h i n e r y ) 己有四十余年的历史。优化设计是人们在工程技术、理 论研究和经济管理等诸多领域中经常遇到的问题。近年来，随着现代控制理论和 计算机技术的快速发展，优化理论与技术的应用日益广泛，并取得了巨大的经济 效益和社会效益，同时，也为使用p c 机开发运行较大型电机c a d 程序带来了契机。 本章主要介绍了电机优化设计的国内外研究概况和发展趋势，单相串激电机设计 的国内外研究现状，并且阐述了本论文所研究的主要内容。 1 1 国内外研究概况 1 1 1 电机c a d 技术的发展 c a d 技术最初起源于飞机和汽车制造，然而其设计精度高，设计周期短，易于 实现系列化、通用化和自动化的特点，使得它很快就出现在电机设计领域里。早 在五十年代后期，美国西屋等大的电机制造厂商便以开发并应用电机c a d 软件进 行电机设计了，而且取得了巨大的经济效益。在计算机技术迅猛发展的今天，电 机c a d 技术正受到越来越多电机工程师们的重视。纵观电机发展的历史，大致经 历了下面几个阶段： ( 1 ) 起步阶段( 五十年代中期至六十年代初) 1 9 5 4 年r m s a n d e r 首次提出来用计算机进行电机设计，随后c q v e i n o t 于 1 9 5 6 年最早将计算机实际应用到电机设计领城，宣告了电机c a d 技术的产生。至 六十年代初，人们在此方面己取得了一定的成果。但是受计算机水平的限制，由 于没有现代计算技术( 数据库，知识库，人工智能等) 的支持，此时的电机c a d 只是协助设计者完成设计过程中的性能分析过程，设计数据的前后处理需要许多 人工干预，即设计者事先估计好若干设计参量，计算机根据一定的程序步骤计算 产品的性能，而有关资料和数据仍需要到设计手册中去查询，计算结果的评价和 设计方案的调整仍需由设计者决定。故此阶段又可成为“设计分析”阶段。尽管 如此，电机c a d 的出现将设计者从繁琐的性能计算分析过程中解脱出来，缩短了 厂东j 业人学i 学坝j 学位论上 设计时i 日j ，具有较人的意义。 ( 2 ) 发展阶段 六十年代期间，计算机科学迸一步发展使得计算机的存储能力和计算速度均 有较大的提高，高级编程语言的出现也使得计算机的使用进一步普及，反映到电 机设计领域，则是电机c a d 由“设计分析”阶段向“设计综合”和“设计优化” 阶段的跨越。此阶段的电机c a d 软件不仅能完成设计方案校核计算功能，并且能 够对主要设计变量进行调整，自动完成传统的尝试设计过程，计算机不仅被当作 快速运算的工具，它的决策能力也开始引起人们的重视。 ( 3 ) 成熟阶段( 八十年代至今) 进入八十年代后，计算机科学的发展日新月异，硬件的不断升级和软件工程 理论、数据库技术及其计算方法的成熟使得电机c a d 的研究在内容、方法方面均 发生了重大变化，除了电磁设计外，电机c a d 的适用范围还涉及电机的稳态和暂 态热计算、电机瞬变过程分析、电磁场计算和计算机辅助制图等各个领域，功能 更加齐全，说明了电机c a d 技术正日趋成熟，并在实际生产中发挥越来越重要的 作用。近年来，随着现代计算技术( 数据库，知识库，人工智能等) 的发展，c a d 技术已不再是孤立地完成一个演算过程，采用工程数据库技术，把电机设计的各 部分集成在一起，形成一个c a d 系统已经称为可能。电机c a d 的发展方向是以工程 数据库为中心，把性能分析、方案设计、优化设计以及计算机绘图集成在一起， 形成包括整个电机设计过程的系统，同时，随着计算机技术和网络技术的发展， 电机c a d 会朝着更加开放、网络化的方向发展【2 】。 电g c a d 技术是电机设计技术与c a d 技术、计算机技术的结合，因此它的发展 也包含以下两个方面的内容： 1 电机设计本身的发展 电机设计本身的发展包括c a d 技术应用范围的扩大以及各种新算法、新模型 的发现。电机c a d 技术最早在异步电机和变压器上应用，后来才扩大到同步电机 和微特电机。计算程序也由单一的电磁计算扩大到稳态计算、电磁场分析计算及 谐波分析计算等等。传统的设计方法多以半经验公式为依据，c a d 的可靠性、准 确性都不是很高，一些新模型、新算法的出现使得电机c a d 的设计更为精确。设 计方法也由人机交互的分析设计到自动的综合设计以及优化设计吲1 3 】。 2 第一章绪论 2 c a d 技术的发展 作为c a d 技术应用的一个特例，电机c a d 技术同样经历了由众多单功自g c a d 系 统，例如磁路计算系统、电路计算系统等等，到基于优化设计和文件管理的多功 能c a d 系统。同时，它的发展方向也与其他c a d 系统一样，最终走向系统化、可视 化、智能化、网络化和标准化。目前炙手可热的电机设计专家系统、模糊设计以 及神经元网络在电机c a d 中的应用说明电机c a d 开始向智能化发展。电机c a d 技术 的发展还包括了计算机领域的一些新思想、新概念、新技术在电机c a d 系统中的 应用。与国外相比，我国电c a d 技术起步较晚，电机c a d 技术的水平也比较低。但 近几十年发展较快，国内的一些高校和研究机构也陆续开发出了一批电机c a d 软 件，其中也包括二、三维交互绘图、有限元分析、特性计算等功能，也有一些引 入专家系统等智能化概念，同时也建立了一些较妊的算法模型，获得了较好的结 果。然而从整体看，我国电机c a d 的研究仍处于起步阶段，尤其在实际应用方面， 欠缺较多。 i i 2 电机优化设计的研究概况和发展趋势 优化问题是人们在工程技术、理论研究和经济管理等诸多领域中经常遇到的 问题。近年来，随着现代控制理论和计算机技术的快速发展，优化理论与技术的 应用日益广泛，并取得了巨大的经济效益和社会效益，始于上世纪6 0 年代初期 的电机优化设计就是其中的热点之一。电机优化设计，是借助于计算机，从预定 的优化目标出发，在满足性能要求的前提下，根据电机设计的数学模型，运用数 学规划中的最优化理论，寻求电机设计方案最优化，使某项或某些经济技术指标 ( 成本、电机效率、体积、功率、重量等) 达到最优的一种电机设计技术。根据 优化理论，在把设计目标及必须满足的约束条件( 国家标准、用户要求以及特定 约束条件等) 建立单目标或多目标优化的数学模型后求解该模型，所得的优化设 计实际上是给定约束条件下的一种“极限”设计，只要给出的约束符合实际情况， 其结果必然优于传统的经验设计p 胴。这种设计方法具有设计周期短、设计质量高、 经济效益好等明显优点，因此，引起了工程技术人员的广泛关注。 在上世纪六十年代初期，国外开始出现电机设计的优化程序。1 9 5 9 年，g l 戈德温首先提出了一种鼠笼型异步电动机的优化程序。1 9 6 1 年，q w 安德森提 出一种对于同步电机使用梯度法的优化程序。c 曾纳和r 辛兹格都对变压器的设 3 j 东业人学j 牛坝l 享位论义 计采用了数学规划方法，成功的解决了变雎器在效率和温升的约束条件下使其费 用最低的问题1 6 l 。从1 9 6 6 年以来，陆续发表了不少介绍优化设计程序的文章，其 共同特点是： ( 1 ) 对设计任务有明确的数学模型。 ( 2 ) 依据了现代数学的寻优理论。 ( 3 ) 大部分采用数值计算方法，从而避免了严格的数学方程和求解函数的导 数。 从7 0 年代开始已有不少优化设计程序应用于生产。在我国，随着计算机的 普及，从8 0 年代以来，也有不少单位在研究、探索有实用价值的优化设计程序方 面做了大量的工作，较为成功地完成了一些电机产品的优化设计工作，取得了显 著的经济技术效果。近二十年来，人们在电机优化理论和优化方法的研究方面、 提高电机优化设计程序的可靠性和实用性方面、以及系列和多目标电机优化设计 方面等取得了不少研究成果州【9 j 。电机的电磁计算作为电机优化设计的基础，人们 通过一系列改进措施，如完善电机的数学模型，以公式计算、曲线拟合等方法取 代一些经验系数的选取等，进一步提高了电磁计算的精度，为电机优化设计莫定 了基础。八十年代末九十年代初，人们又将新的数学优化理论应用于电机优化设 计，提出了一些搜索能力强、优化速度快的优化设计方法。这些方法可分为以下 几种情况： ( 1 ) 对传统的优化方法加以改进形成的优化方法。 ( 2 ) 将几种传统优化方法加以综合利用，取长补短而形成的优化方法。以上 两种情况都在不同程度上达到了提高计算速度、改善寻优效果的目的， 并力图寻求全局最优解。 ( 3 ) 基于新的数学全局优化理论而提出电机优化设计方法，这类方法着重解 决电机的全局优化问题，同时也追求计算效率，如模拟退火算法、模拟 生物进化法等。 ( 4 ) 将专家系统、人工智能的思想应用于电机优化设计两形成的智能电机优 化设计方法。 1 1 3单相串激电机设计的研究概况 对单相串激电机的设计研究是配合电动工具、家用电器的发展需要而进行 4 第一一章绪论 的。 3 0 年代n 5 0 年代初期美国就已经对单相串激电机的设计和换向原理有比较 深入的研究。5 0 年代后期n 6 0 年代初期，随着电动工具、家用电器的发展，对单 相串激电机的设计研究也更趋活跃，单相串激电机的理论分析已经日趋完善，但 设计计算的正确性尚存在不少问题。我国在1 9 6 2 年筹建了电动工具和家用电器的 研究部门。1 9 6 5 年组织电动工具行业对单相串激电机进行第一次联合设计，这次 设计具有较高的计算正确性。目前常用的串激电机电磁设计程序，大多数属于分 析程序p 】【5 l 。使用这类程序进行电磁设计时，相当于求解一项比较复杂的计算题。 其复杂性在于此算题可有各种解答。按代数学的原理，能列出几个方程，就能求 解几个电磁设计的未知数。但是电磁设计的未知数远远多于能列出的方程式个 数。因此，必须做出一系列假设，如假定一些电磁参数、结构参数( 定转子冲片 尺寸) ，利用计算机求解另一些参数，并且计算假定参数是否满足设计要求。如 不能满足设计要求，则调整设计参数或改进某些假定参数，重新校算，直到符合 设计要求。这种计算方法需多次调整校算，才能得到合适的计算结果，费时费力， 并且设计者的经验对最终方案的优劣会有较大的影响。由于假定参数的调整是根 据人工经验来调整，此类计算机程序人工干预太多，而且不包含方案比较优化分 析等内容，只是利用计算机提高了计算效率的分析程序。 1 2 本课题的提出 单相串激电机是具有电刷、换向器的交直流电动机。定子由定子铁芯和安装 在磁极上的激磁绕组组成。其作用是产生激磁磁通，并且在机械上支撑整个电机。 考虑交变磁场的涡流损耗，定子铁芯是由硅钢片叠压而成。转子的作用是产生电 磁转矩，通过转轴带动负载，将电能转换成机械能。转子由电枢铁芯、电枢绕组 和换向器等组成。定子上的激磁绕组和电枢绕组是串联的，所以可以作为交直流 两用。因其转速高，电机体积小，重量轻，交直流电源均可供电，以及调速简单 等优点，可广泛用于手持式电动工具和家用电器q h l 4 l 。目前常用的串激电机电磁 设计程序，大多属于分析程序。使用这类程序进行电磁设计时，相当于求解一项 比较复杂的计算题。假定一些电磁参数、 机求解另一些参数，并且核算假定参数。 5 结构参数( 定转子冲片尺寸) ，利用计算 如不能满足设计要求，则调整设计参数 厂。乐】业人字j 学坝i 学位比上 或改进某些假定参数，重新校算，以符合设计要求这种计算方法需多次调整校算， 才能得到合适的计算结果，费时费力，并且设计者的经验对最终方案的优劣会有 较大的影响。由于假定参数的调整是根据人工经验来调整，此类计算机程序人工 干预太多，不包含方案比较优化分析等内容，只能是利用计算机提高了计算效率 的分析程序。对单相串激电机优化设计，就是在电机分析程序的基础上，利用计 算机进行智能化分析，采用优化方法得到较理想的电机设计方案的一种设计模 式，优化方法也就是在已知约束的条件下求目标函数的极值。 在复杂而庞大的搜索空间寻找最优值或准最优值，是一种典型的非线性规划 问题，在求解这类问题时，若不能充分利用问题的固有知识来缩小搜索空间，必 然产生搜索的组合爆炸和优化结果的不收敛性。因此，研究一种能在搜索过程中 自动获取和积累有关搜索空间的知识，并自适应地控制搜索过程，从而得到最优 解或准最优解的通用搜索算法一直是令人瞩目的课题【1 3 1 ”。遗传算法就是这样一 种特别有效的算法同传统的搜索算法相比，遗传算法的优点表现在以下几个方 面： ( 1 ) 遗传算法处理参数集合的编码，而非参数本身，即其操作是在编码后的 数码串上进行。 ( 2 ) 遗传算法同时搜索解空间中的多个点，而不是一个点，从而使其具有计 算上的并行性，增强了全局搜索能力。 ( 3 ) 遗传算法只需一个适应度函数，而不需要求导数或其它辅助信息，因而 具有广泛适用性。 ( 4 ) 遗传算法利用概率规则指导搜索，而不使用确定性规则，因此具有搜索 离散的有噪声的多峰值复杂空间的能力。 ( 5 ) 遗传算法在解空间内进行充分的搜索，而不是盲目穷举，因而具有较高 的搜索效率【目【”。 本课题在对几种传统电机优化设计方法进行深入对比研究的基础上，针对当 前电机优化设计中仍需要大力研究的求解全局最优点这一问题，着重研究了具有 全局搜索能力的一种算法一遗传算法，并且针对多目标优化这一问题，将有效 材料成本和效率选择作为优化目标，用于单相串激电机的优化，旨在开发出一套 完整的基于遗传算法的单相串激电机多目标优化设计软件。 6 第一章绪论 1 3 本论文的工作 以开发面向对象的多界面实用性单相串激电机多目标优化设计c a d 系统为设 计目的，在前人的工作基础上，本论文对单相串激电机多目标优化设计c a d 系统 的软件结构和相应的多目标优化实现技术进行了研究，开发了面向生产实际的单 相串激电机多目标优化设计c a d 系统。主要研究工作包括以下几方面： ( 1 ) 对单相串激电机设计过程进行了全面了解，对于目前国内单相串激电机 设计方法和单相串激电机电磁设计进行研究的基础上，编制了单相串激 电机分析设计程序。 ( 2 ) 研究了单相串激电机多目标优化设计c a d 系统的实现方法，详细探讨了方 案设计和多目标优化设计系统中的数据存储和传递等问题。 ( 3 ) 研究了具有全局搜索能力的一种算法遗传算法，并且针对多目标优 化这一问题。将有效材料成本和效率选择作为优化目标用于单相串激电 机的优化，开发出一套完整的基于遗传算法的单相串激电机多目标优化 ，设计软件，实现对有效成本和效率的优化设计。 7 广彖f 业人学l 学坝4 掌j 丑论史 第二章单相串激电机的电磁设计 2 1单相串激电机的基本特性 2 1 1 单相串激电机的结构特点 单相串激电机是具有电刷、换向器的交直流电动机。定子由定子铁芯和安装 在磁极上的激磁绕组组成。其作用是产生激磁磁通，并且在机械上支撑整个电机。 考虑交变磁场的涡流损耗，定子铁芯是由硅钢片叠压而成。转子的作用是产生电 磁转矩，通过转轴带动负载，将电能转换为机械能。转子由电枢铁芯、电枢绕组 和换向器等组成。定子上的激磁绕组和电枢绕组是串联的，所以可以作为交直流 两用。 单相串激电机的主要特点： ( 1 ) 输出转速高，一般在每分钟4 0 0 0 转至几万转。在需要高转速的场合，应 用较多。 ( 2 ) 由于转速高，电机体积小，重量轻，可广泛用于手持式电动工具和家用 电器中。 ( 3 ) 交直流电源均可供电。 ( 4 ) 可用简单方法调速，调速范围宽，容易实现无级调速。 ( 5 ) 具有起动转矩大，转速随负载转矩增加而大幅度下降的特点。电机输出 转矩变化不大【4 j 。 2 1 2 单相串激电机的运转原理 单相串激电机的结构虽与直流电动机相同，但可交直流两用。在交流电源 供电时，产生旋转力矩的原理，仍可以用直流电动机的运转原理来解释。当导体 中通有电流时，在导体的周围产生磁场，其磁力线的方向取决于电流方向。将通 电的导体放入磁场中，这磁场与通电导体所产生的磁场相互作用，将使此导体受 到一个作用力f ，并因此而产生运动，导体会从磁力线密的地方向磁力线稀的方 向移动，当将由两个互相相对的导体组成的线圈放入磁场时，线圈的两个边也受 到了作用力，此二力的方向相反，产生力矩。 当线圈在磁场中转动时，相应的二个线圈边，从一个磁极下转到另一个磁极 下时，此时由于磁场极性有了改变，将使导体受到的作用力的方向改变，也使转 矩的方向改变，从而使线圈向反方向转动，于是线圈只能绕中心轴来回摆动，而 不能连续旋转，当线圈中的两个线圈边转到另一磁极下时，如果能使线圈中的电 流也改变方向，则极性改变，电流也改变方向，结果使转矩方向保持不变，线 圈就能连续旋转。换向器和电刷的作用，就是使线圈从一个极转到另一个磁极下 时，相应地改变线圈中的电流方向。这也可以理解为：在各个磁极下的线圈中的 电流，始终保持着各自一定的电流方向。因此从另一个磁极转过来的线圈，就要 改变线圈中电流方向1 5 】。 直流电机的定子磁场除了某些小功率电机由永磁产生外，大多由缠绕在定子 铁芯上的激磁线圈通入激磁电流后产生的。而单相串激电动机则必须采用串激激 磁的方式，下图就是串激的激磁方式： 图2 - 1 串激的激磁方式示意图 f i g 2 - 1s e r i e se x c i t i n gm o d es a i dp l a n s 从图可知，单相串激电机是由激磁绕组和电枢绕组串联后接到单相交流电源 上。l 一，。激磁磁场和电枢电流方向同时随电源极性的改变而改变，作用在转 子上的电磁转矩方向始终不变，从而实现电能和机械能的转换。换向器和电刷的 作用，就是使线圈从一个磁极转移到另外一个磁极下时，相应改变线圈中电流的 方向。当电枢绕组旋转时，绕组切割气隙磁场而感应出电势。下边是电压平衡方 程式 u 一- e 一疋一乜+ 刀写+ z 心+ i x l + i x 2 ( 2 1 ) 式中【厂电源电压 e 旋转电势 e 激磁绕组自感电势 e 转子绕组自感电势 凰激磁绕组的电阻压降 9 j 东j 业人学j 学坝l 学位论史 z 如转子绕组的电阻压降 j ，定子漏抗压降( 滞后i 向量9 0 。) j x 2 转子漏抗压降( 滞后i 向量9 0 。) 由于l 一，一，由电压平衡式得到功率平衡式： 异= 昱+ 户k + p o + 只+ p c 。1 + j 乙2 + e ( 2 2 ) 式中皿电机输入功率 昱电机输出功率 匕铁损 圪机械损耗 杂散损耗 乞。定子绕组铜耗 毛：转子绕组铜耗 最电刷与换向器的接触损耗 上面简介了单相串激电机的基本原理，电磁设计程序，就是根据电机给定的 设计参数( 额定电压、额定频率、额定输出功率、额定转速等) ，假定一些电机 参数( 电磁、结构参数) ，根据电机的一些基本方程式( 如电压平衡方程式、功 率平衡方程式等) ，进行平衡计算得到电机冲片和绕组参数例。 2 2单相串激电机的设计要求 电机设计包括电磁设计和结构设计两个设计内容，习惯上所指的电机设计往 往是指电磁设计。本文所要叙述的也是电磁设计。通过电磁设计和计算，一般要 达到下列要求： ( 1 ) 功率要求对于驱动用的电动机功率要求是首要指标。一个电动机输 出功率的大小，不能简单的理解为能驱动多大负载，而是指该电机在规 定的运行定额下( 运行定额分连续定额、短时定额和周期工作定额三种) 、 1 0 第一苹 单相串激电机的b 磁鞋计简介 在此输出功率下运行时，电机绕组温升不超过规定的限值，所以在电机 设计中对有关电机发热的各种电磁参数如电流密度、磁通密度、线负荷 等都应严格控制。这些电磁参数，设计得过小，会使电机体积过大；设 计得过大，会使电机绕组温升超过限值达不到输出功率要求。 ( 2 ) 效率和功率因数的要求电机效率的大小直接关系到电机用户的耗电 量，也涉及到国家总能源的消耗问题，因此，尤其对大功率电机以及使 用量很大的电机，效率是很重要的指标，所以也要在电磁设计中保证效 率指标的要求。功率因数的大小直接关系到电厂供电中无功分量的大小， 因此也有一定的要求，在电磁设计中也要予以保证。 ( 3 ) 其他额定指标的要求其他额定指标，通常还包括启动转矩、最小转矩、 最大转矩等。这些额定指标关系到电机的启动能力、启动时间以及过载 能力( 负载增大时转速会不会急剧下降，电机会不会堵住停转) ，因此也 有规定的要求，也须通过电磁设计来保证的。 上述种种要求，虽主要通过电磁设计来保证，但往往与电机结构有关。如功 率要求、绕组温升等。除考虑电磁方面的发热因素外，还有散热条件，如电机的 冷却条件和通风风路等，这都取决于电机的总体结构。又如电机效率除决定于电 气损耗外，还有机械损耗，这又与电机的结构设计以及制造工艺有关【4 】【5 】。所以在 进行电磁设计时，实际上是在假定的或已定的结构条件下进行的。 2 3 单相串激电机的设计特点 由于单相串激电动机转速高、机械特性软、换向条件严酷以及功率比较小等 原因，因此在电磁设计中的特点和要求，主要为下述几方面。 ( 1 ) 额定工作点额定工作点，就是在额定输出转矩时，电机转速应为额定 转速。为了保证在额定转矩时，电机转速不低于额定转速，也即在此额 定转矩时，电机能输出的功率不低于额定功率，在电磁设计中，往往采 用比额定转速高5 - 1 0 的转速来进行设计。 ( 2 ) 控制换向火花单相串激电动机的换向条件比直流电机严酷，由于对换 向火花无法进行计算，因此在电磁设计中，须对影响换向火花的各个电 磁参数进行严格控制，以保证换向火花等级不超过规定的要求p 0 1 1 3 ”。 厂表j 业人学i 学坝i 学位畦立 ( 3 ) 其他性能指标的要求上述关于电机设计中的一些基本要求，对单相串 激电机的设计也是适用的，但由于单相串激电机在性能上以及使用上的 一些特点，往往对某些性能指标不作考核，有的指标则允许有较大的偏 差，因此在设计计算中可予以简化，如单相串激电机的启动转矩、最大 转矩，都要比一般交流异步电动机高得多，因此往往省略计算；又如功 率因数一般都高达0 9 以上所以也不作严格要求；还有效率指标，因为 电机功率较小，一般也不作为严格的考核指标。但应指出，功率因数和 效率虽可以不作严格考核，但在电机设计中，仍需严格较算。在确定电 机的绕组参数和有关电磁结构参数后，所算出的功率因数和效率的数值， 应与初算时的假定值( 也即设计任务所要求的额定值) 十分接近，否则整 个设计计算就不能成立。 2 4 单相串激电机的设计分析 2 4 1 主要尺寸和电磁负荷的确定 1 主要尺寸d 1 、d 2 及l 的确定 确定电机主要尺寸，一般从计算噬着手。d 2 为转子冲片外径，三为铁芯叠 长。明三决定于电机功率、转速以及电磁负荷。计算式如下。 谚三一p ix , s 、x f v 5 一x 1 0 4 ( 册，) (23)a 口且n 一 式中，曰内功率 a 极弧系数，取0 6 o 7 岛。气隙磁密( t ) a 线负荷( a c m ) h 转速( r m i n ) 从上式可见。电磁负荷a 取的越大，电机尺寸越小，但爿的大小受其他要求 的制约。转速露越大，尺寸也越小，这正是高速电机的优点。这里可用额定转速 代入计算。计算式中的功率是内功率只，又称电磁功率，是指从电机定子传到转 子( 电枢) 中能产生电磁转矩的功率，因此要在输入功率中减去定子铁耗、定转子 铜耗及换向中的损耗。可用经验公式估算。 确定噬工后，接着可确定电枢冲片见的数值。取定d 2 时，应考虑电机使用 场合的需要，通用性以及派生的要求，同时考虑合适的长径比云，一般比值在 0 5 1 5 之间。长径比值越大，电机越细长，细长的电机具有较高铜利用率，因 为绕组端部的长度相对短了。但长的电机，制造工艺的要求较高，转予的挠度也 比较大。并见，长的铁芯，使线圈漏磁增多，换向线圈中的电抗电势增大，对换 向不利。此外，同样的d 扛，细长的电机冷却效果较差。电枢外径见与定子外径 d 1 的比值可在0 5 4 0 5 9 之间选取，大的比值适用于深槽定子的电机。 2 线负荷a 以及气隙磁密玩的选取 电枢线负荷爿表示电枢外径圆周单位长度上的安匝，爿越大，也就是在单 位圆周长度上放的安匝越多，所以尺寸可缩小。但4 增大，导致发热量( 铜耗) 增 大，而且爿增大后，使绕组线匝增多，换向时，换向线圈内的电抗电势增大，会 恶化换向，因此爿值的增大是有制约的。 利用( 2 3 ) 式来分析，当电机主要尺寸噬l 一定时，a 和见的乘积也是定值， 所以玩取的大，就可以减小a 。但岛过大，导致铁芯中各部分的磁密过高，尤 其是电枢齿和定子轭会过于饱和，使定子线圈增加过多以及电枢铁耗增大，所以 b 取值也是有限制的。 初步设计时，a 和只的取值范围如下： a = 1 0 0 1 4 5 ( a c m ) 岛= 0 3 5 o 5 5 ( t ) 2 4 2 磁路参数的选取 1 定转子安匝比和铁芯各部分的磁通密度的选取 广东f 业人学1 学坝i 字位盹文 定转子安匝比哗是一个重要的磁路控制数据，w 为一个极的定予线圈匝 v 数，为电枢( 转子) 总导体数。定转子安匝比大小表示了定转子磁场的相对强弱 情况，比值大小对电机性能、换向情况、机械特性软硬程度以及损耗效率都有影 响，以下进行定性的分析。 定转子安匝比大，说明定子主磁场强，电枢磁场相对较弱，因此定转子气隙 问的空间磁场畸变小，有利于换向。定转子安匝比大，定子激磁强，磁路饱和， 有利于减小空载与负载的转速差。负载时磁通增大，而单相串激电机的转速是与 负载成反比的，当磁路饱和程度大时，负载时磁通的增加，相对是小了，因此可 减小转速差，也就是机械特性的硬度有所提高。 但是安匝比大也有缺点，首先是定予绕组铜耗增大，温升升高，效率下降， 还由于磁路饱和，铁耗增加，也使效率下降。其次是定子电抗增加，功率因数降 低。实际上安匝比过大是不必要的。当磁场足够饱和时，再增加定子安匝，定子 磁场不会明显增强，因此也不能迸一步改善换向，而损耗却增加了。所以定转子 安匝比也有合适的数值范围。推荐使用的安匝比范围为0 8 5 1 3 ，功率较小的 电机，应选用其中较大的数值，功率较大( 4 0 0 w 以上) 的电机，可以采用其中较小 的数值脚1 。 上面对磁路饱和优缺点的分析，也是选取铁芯各部分磁通密度( 前称磁密) 大 小时的考虑因素。实际上，磁路的饱和程度正是由铁芯各部分的磁密大小来决定 的。由于电机结构上的需要，铁芯各部分的磁密是不同的，但对一个正常设计的 电机，都有合适的磁密数值范围。铁芯各部分的磁密范围一般如下： 定子极身磁密口。0 6 1 4 ( t ) 定子轭部磁密圮1 5 1 7 5 ( t ) 电枢齿部磁密最1 6 1 8 5 ( t ) 电枢轭部磁密 e ，1 3 1 6 5 ( t ) 2 极弧系数口和气隙长度6 的选取 极弧系数口为极弧长度和极距的比值。极弧系数越大，电机尺寸越小。但极 弧大了，影响到换向区域，对换向不利，所以极弧系数的数值也有一定的范围。 当定子磁势波形为矩形波时，极弧系数不同时的3 次、5 次和7 次谐波分量 1 4 第一章 单相串激电机的电磁设计简介 的大小不同。当极弧系数为0 6 6 7 时，3 次谐波的分量为零，所以一般常用的极 弧系数为0 6 6 7 0 7 。如定转子间的气隙设计成不均匀气隙时，可采用更大的极 弧系数。 气隙长度6 也是磁路中的重要参数，消耗在气隙中的激磁安匝约占总激磁安 匝的4 0 5 0 ，气隙长度越大，消耗激磁安匝越多，使定子绕组的匝数增多， 铜耗增大，并因为绕组电感增大，而使功率因数降低。但是气隙长度增大也有好 处，可减弱电枢反应的影响，有利于换向。而且也减弱了由于电枢齿槽结构所造 成的磁场脉振，从而降低铁耗，并且有利于换向。当电枢旅转时，由于种种原因 而有偏心时，较大的气隙，可以减弱偏心的影响，如减小单边磁拉力，避免定转 子相擦等等。因此，选取合适的气隙长度是非常重要的。一般单相串激电机中的 气隙长度为0 0 3 c m 0 0 9 c m ，小电机可用小的数值【4 j 。 2 4 3 绕组温升的控制 电机绕组的温升都有限值的规定，它是按使用的绝缘材料的耐热等级和使用 寿命的需要而制定的。为了控制电机绕组的温升不超过限值规定，应对电机进行 热计算，但热计算的正确性很差，而且计算繁复，实践证明在工程设计中，控制 与绕组温升直接有关的主要发热因素，而不进行复杂的热计算。是简便有效的方 法。 1 限制4 ，的数值控制电枢绕组温升 直接影响电枢绕组温升的是电枢绕组铜耗，铜耗大温升高。线负荷a 与电枢 绕组的电流密度：的乘积是直接反映电枢绕组钢耗的参数，所以可以用爿2 的数 值来控制电枢绕组的温升，为了使绕组温升不超过某一限值，只要控制爿，不超 过某一数值，这样就简化了计算。 为了给电磁设计提供彳乱的限值数据，应按电机主要尺寸的大小来计算a a ， 的限值。下式是计算彳：限值的经验公式。 鸽一k a d 2 2 l n l 0 4 ( 三) ( 2 4 ) 式中d 2 单位( c m ) 单位( 堋) 厂末j 业人学j # 坝i 学位论立 n 单位( r m i n ) 其中系数k 。根据额定输出功率选取，在进行电磁设计时，控制的绕组温升 数值应低于规定的绕组温升限值，留有一定的裕度，以适应批量生产的需要。 2 限制12 r l 的数值控制定子绕组温升 直接影响定子绕组温升的是定子铜耗，2 ，是电机电流，是定子绕组的电 阻。因此也只要控制定子铜耗就能控制定子绕组温升。定子绕组温升往往低于电 枢绕组的温升，这是正常的，无论从散热效果以及结构上的特点来分析，定子绕 组的温升会低一点。但定子绕组温升和电枢绕组温升也不宜相差过大。 同样可以利用电机的主要尺寸来计算定子铜耗的限值，算式如下： f 2 = 囊0 d ；三盯1 0 一4 ( 降，) ( 2 5 ) 式中系数k 可以根据定子冲片外径d l 从经验曲线中选取。 1 6 第二章甲相串撒电机多目标仇化或汁的实现方法 第三章单相串激电机多目标优化设计的实现方法 3 1优化设计思想和方法介绍 3 1 1 优化设计的概念和特点 优化设计是将工程设计问题转化为最优化问题，利用数学规划的方法，借助 于计算机的高速运算和逻辑判断的巨大能力，从满足设计要求的一切可行方案 中，按照预定的目标自动寻找最优设计的一种设计方法。它能综合处理并最大限 度的满足从不同角度提出的，甚至有时是互相矛盾的技术指标，因此是重要的现 代设计方法之一。 实际应用表明，优化设计不仅为工程设计