（流体力学专业论文）三相鼠笼异步电机热磁耦合分析及效率优化设计.pdf

l 分类号：t m 3 4 3 题目 英文并列 题目 单位代码： 学号： 密级： l i l q l li iu l i i ii l l li il l l lq u l 17 8 8 6 3 0 1 0 0 0 5 s 2 0 0 7 0 1 0 0 7 公开 北京工业大学硕士学位论文 t h e r m a lm a g n e t i ca n a l y s i sa n de f f i c i e n c y q ! ! 丛! 兰! ! q 盟旦堡曼! 堡整q 里! 鲢基曼堡二旦墨曼墨q 堕! 星基星坠二g 鱼堡 a s y n c h r o n o u sm o t o r 专 论文报告提交ii 朗婴! q 生 授了，甲化名称和地址 j e 宝! 些i 堂e ! 丛幽鳖：匕：! ：型! 业! ： 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 盆巨鑫日期：丝! ! ：垂：7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：复臣起导师签名：垂匦2 蜓同期：迦z ! ：乡7 摘要 摘要 提高效率是我国未来电机发展的必然趋势。但在提高效率的同时必须要保证 电机的寿命和运行可靠性。电机运行时的温度对电机的寿命和运行可靠性有着直 接而显著的影响，提高电机效率和对电机温度场的研究具有重要的工程意义。 本文根据电磁场理论建立了三相鼠笼异步电机的场路耦合模型，对异步电机 瞬态二维电磁场进行了计算，得到了电机的工作特性结果，并对启动过程中电机 整体的磁场分靠以及转子导条的电流密度变化进行了分析。当电机稳定运行时， 磁力线较均匀的分布在定转子铁心内部，转予绕组电流密度分布均匀。而当电机 启动时磁力线主要集中在临近转子表面较薄的一层内，定、转子齿端磁通密度很 高，转子绕组电流密度沿径向逐渐变大，有明显的集肤效应。 根据温度场理论建立了三相鼠笼异步电机定转子全域瞬态温度场模型，计算 了电机在额定负载情况下的瞬念三维温度场变化，也对电机不同负载运行时的温 度场以及影响温度场分布的因素进行了计算和分析。在电机启动丌始阶段，定转 子温度迅速升高，随后温升幅度逐渐减小直至达到稳定状态，整个过程中，转子 导条温度始终高于定子绕组温度，最高温度出现在转予导条的轴向中心。当电机 温升达到稳定后，定子区域的整体温度低于转子区域，而机壳表面的温度是最低 的。转子铁心的轴向温差要大于定子铁心，而定子铁心的径向温筹要大于转子铁 心。电机整体的温度随管电机功率的增大而升高，但并1 ! 尸总损耗； 只输入功率 从上式可以看出，要提高电机效率就要尽量减少总损耗。中小型三相异步电 动机损耗由以下五部分组成： ( 1 ) 铁心损耗：山交变主磁通在定子或转子铁心中产生的磁滞损耗和涡流损 耗组成。电机萨常运行时，转子内交变电流的频率即滑差频率一般在几赫兹以下， 因此转予铁损较小，可以认为电机铁损主要为定子铁损。普通电动机功率越小， 铁心损耗占的比例越小。铁心损耗不会随着负载的减小而减小，因此空载运行会 导致效率很低。 ( 2 ) 定子绕组铜耗：主要为满载时定子绕组在运行温度下定子电阻损耗。普 通电动机功率越小，定子绕组损耗占总损耗的比例越大。 ( 3 ) 转子绕组损耗：卡要为满载时转子绕组在运行温度下转予电阻损耗。标 准电动机功率越小，转子绕组损耗占总损耗的比例越大。 ( 4 ) 风摩损耗：计算时包括风扇及通风系统的损耗，电机转子表面即冷却介 质的摩擦损耗、轴承摩擦损耗等。风摩损耗的产生与电机转速、通风方式、风扇 形式、风扇外径、转子外径、轴承类型及装配质量等有关。 ( 5 ) 杂散损耗：杂散损耗有两种来源。一是满载时绕组端部漏磁在金属结构 件内产生的损牦和楷漏磁引起挤流效应而增加的绕组电阻损耗，与绕组端部和端 盖等构建距离、槽中导体高度等有关。另一种是满载时由于负载电流引起的气隙 谐波磁通存定、转了铁心中j _ | 三的表面损耗和齿部脉振损耗，转子感应谐波电流 产卜的损耗，斜槽笼型转予导条f u j 横向电流在铁心中产生的损耗。与绕组形式、 7 ”jj ”t u 、槽配合、7e 隙k 度、转子为直槽或斜借、导条与铁心l 开j 的绝缘程度等何关。 对于杂散损耗，目i 0 仍难以准确计算，i e e e 标准为1 8 7 5 k w 以卜交流电机的杂 散损耗值提供了不l j 的估计值：1 9 4 k w 为额定输出功率的1 8 ；9 5 3 7 5 k w 为额定输出功率的1 5 ；3 7 6 k w 18 7 5 k w 为额定输出功率的1 2 。 4 5 北京j r 业大学t 学硕十学位论文 中小型三相电机损耗由这五种损耗组成，其中风摩损耗约占5 左右，铁心 损耗约占2 0 左右，定子绕组铜耗约占4 0 左右，转子绕组损耗约占2 5 左右， 杂散损耗约占1 0 左右。由上面论述可知，定子绕组铜耗、转子绕组损耗和铁心 损耗占到了电机总损耗的8 0 以上，本文主要针对这三种主要损耗进行论述并提 出减少损耗的措施【8 6 ，8 7 1 。 5 1 效率提高措施 5 1 1 减少铁心损耗 铁心损耗包括磁滞损耗和涡流损耗。铁磁材料置于交变磁场中时，材料被反 复交变磁化，与此同时，磁畴相互问不停摩擦、消耗能量，造成磁滞损耗。 磁滞损耗的计算公式为 p h = g 戚矿 ( 5 - 2 ) 式中g 磁滞损耗系数，其大小取决于材料性质； 厂磁场交变频率； b 。磁通密度的最大值； y 铁心的体积 所以磁滞损耗与磁场的交变频率、铁心的体积以及最大磁通密度的1 1 次方 成征比。 涡流损耗的计算公式为 p ，= c a 2 厂2 联矿( 5 3 ) 式中e 涡流损耗系数，其大小取决于材料电阻率； 叠钢片厚度； b 。磁通密度的最大值； y 铁心的体积 所以频牢越高，磁通密度越人，感应电动势就越大，涡流损耗办越大；铁 心的电阻率越大，涡流所流过的路径越长，涡流损耗就越小。 采用高磁导率低比损耗的冷轧叠钢片可以有效减小铁心损耗，另外减少叠钢 片的厚度也可以减小铁心损耗。 5 ，1 2 减少定子绕组铜损耗 定f 绕组损耗计算公式为 第5 章= 相鼠笼异步电机效率的改进及优化 足。= 3 矸月 ( 5 4 ) 式中。定子相电流，单位为a ； 尺折算到基准温度是定子绕组的相电阻，单位为q = r 赘 ( 5 _ 5 ) 式中疋常数，铜绕组2 3 5 ，铝绕组2 2 5 ； 基准工作温度，单位为； 酿实际冷态时绕组的温度，单位为； r 实际冷态时定子绕组的电阻三相平均值，单位为q 5 1 2 1 增大导线的直径 图5 1 为不同的定子绕组铜线直径下电机的效率随转速变化图。当铜线直径 为1 1 3 m m 时，计算得到额定运行时刻定子绕组铜耗为2 5 6 0 6 2 w ，转子导条铜 耗为1 4 1 1 2 9 w ，定子铁心损耗为8 4 4 5 9 3 w ，电机效率为8 3 9 1 6 9 。当铜线直 径为1 18 m m 时，定子绕组铜耗为2 3 5 4 4 9 w ，转子导条铜耗为1 3 9 7 9 w ，定子 铁心损耗为8 5 1 9 6 1 w ，电机效率为8 4 4 1 8 9 。当铜线直径为1 2 3 m m 时，定子 绕组铜耗为2 1 7 3 5 8 w ，转子导条铜耗为13 8 6 w ，定子铁心损耗为8 5 8 3 4 2 w ， 电机效率为8 4 8 6 2 7 。当铜线直径为1 3 m m 时，定子绕组铜耗为1 9 5 6 5 w ，转 子导条铜耗为1 3 7 2 4 5 w ，定子铁心损耗为8 6 5 7 9 3 w ，电机效率为8 5 4 0 1 3 。 可见随着定子绕组铜线直径的增加，定子绕组铜耗有明显的下降，转子导条铜耗 与定子铁心损耗没有明显变化，电机的效率有了明显的提升。 8 6 8 4 史 艟8 2 较 8 0 1 3 8 0 1 4 0 0 1 4 2 0 1 4 4 0 1 4 6 0 1 4 8 0 转速( r p m ) 图5 i 小同导线直径卜电机效率随转速变化图 f i g u r e5 一lm o t o re f f i c i e n c yw i t hd i f f e r e n tc o n d u c t i n gw i r ed i a m e t e r sv e r s u sr o t o rs p e e d 4 7 北京t 业大学丁学硕士学付论文 但是，铜线直径并不能无限制增加，要受到槽满率的限制。定子槽必须有足 够大的截面积，使每槽所有导体能不太困难地嵌进去。在采用圆导线的半闭口槽 中，用槽满率来表示槽内导线的填充程度。 驴掣丝1 0 0 ( 5 - 6 ) 式中m 。导体并绕根数； m 。每槽导体数； d 导线的直径； 4 ，槽有效面积 a , i = 4 一a i ( 5 7 ) 式中4 槽面积( 以本电机采用的梨形槽为例) 4 ：鱼粤( 绣卅+ 车( 5 - 8 ) 4 槽绝缘所占面积，对于单层绕组 4 = a i ( 2 忽+ z c r 2 1 )( 5 - 9 ) 式中j 槽绝缘厚度； h 槽楔厚度 由i 二面的计算可知，增大导线直径可以有效减少定子绕组铜耗，提高电机效 率。但要考虑槽满率的限制，槽满率过高会给嵌线带米困难并增加嵌线工时，一 般应控制在7 5 0 0 , - 8 0 。 图5 2 定f 梨形槽 f i g u r e5 - 2s t a t o rp e a r i f o r ms l o t 减短定子绕组端部可调长度，可以有效的减小定子电阻进而降低定子铜损。 图5 3 为不同端部长度条件下电机效率随转速变化图。当端部可调长度为2 0 m m 时，计算得到额定运行时刻定子绕组铜耗为2 4 5 0 6 7 w ，转子导条铜耗为 1 4 1 4 4 9 w ，定子铁心损耗为8 4 3 0 1 w ，电机效率为8 4 1 7 3 。当端部可调长度为 1 5 r a m 时，计算得到额定运行时刻定子绕组铜耗为2 3 5 4 4 9 w ，转子导条铜耗为 1 3 9 7 9 w ，定子铁心损耗为8 5 1 9 6 1 w ，电机效率为8 4 4 1 8 9 。当端部可调长度 为l o m m 时，计算得到额定运行时刻定子绕组铜耗为2 2 5 8 8 1 w ，转子导条铜耗 为1 3 8 2 0 5 w ，定子铁心损耗为8 6 0 6 4 9 w ，电机效率为8 4 6 6 3 5 。可见减少定 子绕组端部可调长度可以降低定子铜损，提高电机效率。但取的过小会给嵌线带 来困难，具体设计时还需要考虑嵌线工艺的要求。 转速( r p m ) 图5 3 不同定子绕组端部可调k 度卜电机效率随转速变化图 f i g u r e5 3m o t o re f f i c i e n c yw i t hd i f f e r e n te n da d j u s t m e n tl e n g t h sv e r s u sr o t o rs p e e d 5 1 2 3 减小气隙厚度 可以通过减小气隙厚度末降低励磁电流，进而达到减少定子铜损的同的。虽 然气隙厚度很小，但其磁位降却占整个电机磁路的绝大部分。减小气隙厚度可以 有效降低励磁电流。图5 4 为小同7t 隙厚度卜r 乜机效率随转速变化图。当气隙厚 度为o 5 m m 时，计算得到额定运行时刻定了绕组铜耗为2 8 9 2 2 2 w ，转子导条铜 耗为1 4 2 5 7 5 w ，定了铁心损耗为8 4 4 9 6 8 w 电机效率达到8 3 1 1 3 1 。当气隙 厚度为0 4 m m 时，定子绕组铜耗为2 6 1 4 7 9 w ，转子导条铜耗为1 4 1 1 7 3 w ，定 子铁心损耗为8 4 8 2 1 1 w ，电机效率达到8 3 7 8 0 9 。当气隙厚度为0 3 m m 时，定 子绕组铜耗为2 3 5 4 4 9 w ，转子导条铜耗为1 3 9 7 9 w ，定子铁心损耗为8 5 1 9 6 w ， 电机效率达到8 4 4 1 8 9 。山o 5 r a m 变为0 3 m m 气隙厚度只减小了o 2 r a m ，f 日 4 9 北京t 业大学t 学硕+ 学位论文 定子绕组铜耗减少了5 3 7 7 3 w ，效率提高了1 3 0 5 8 。可见随着气隙厚度的减小， 定子绕组铜耗有明显的减小，电机的效率有了明显的提升。 转速( r p m ) 图5 4 不同气隙厚度下电机效率随转速变化图 f i g u r e5 - 4m o t o re f f i c i e n c yw i t hd i f f e r e n ta i rg a pt h i c k n e s s e sv e r s u sr o t o rs p e e d 表5 1 列出不同气隙厚度下电机特性参数变化情况。可以看出，减小气隙厚 度不但可以有效提高效率，还可以有效提高电机的功率因数、最大转矩倍数以及 启动转矩倍数，但同时也增大了启动电流倍数。这是对电机工作特性的一个不利 影响。总的考虑，在启动电流倍数允许的情况下，可以尽量减小气隙厚度进而提 高电机效率并改善其它：= 作特性参数。气隙厚度的最小值是与制造和加工精度直 接桐关的，如果加t 精度达不到要求，气隙取得过小会引起定转子相擦，为保证 电机可靠运行，气隙一般刁 o ，不满足约束 ( 孓1 2 等号右边第二项就是所谓的罚项。这样，有约束的m i nf ( x ) 问题就转换成无约 束的m i n f ( x ，r ) 问题。这里罚项的作用是使搜索点列尽量满足约束，当满足约 束时，g j ( x ) 0 ，u j ( g j ) = 0 ，罚项不起作用，f ( x ，厂) 相当于原目标函数；而 一旦违反约束，“，( g j ) = 1 ，吒又是一个相当大的正数，于是罚项变得很大，f ( x ，厂) 也随之增大。这样就迫使x 向满足约束处靠近。这里需要用大的罚函数值来考 虑约束的作用。 5 2 2 3 近年来新的优化算法 通过对物理、生物或社会现象的观察和模拟人们成功地提出了以模拟退火算 法、禁忌搜索算法和遗传算法等全局优化算法为代表的新型优化算法。它们的共 同特点：都是从任意解出发，按照某种机制，以一定的概率在整个求解空间中探 索最优解。由于它们可以把搜索空间扩展到整个问题空间，因而具有全局优化性 能【9 1 】。 模拟退火( s i m u l a t e da n n e a l i n g ，简称s a ) 算法是一种启发式的蒙特卡罗 ( m o n t ec a r l o ) 方法。这种算法是在给定的模型空问内搜索目标函数达到全局极小 值的最优模型。该方法是s k i r k p a t r i c k 于1 9 8 3 年提出，其出发点是基于金属 热处理中固体物质的退火过程与一般组合优化l 、u j 题的相似性。s a 算法是给定某 一初始温度，伴随温度参数的f i 断卜降，结合概率突跳特性，在解空问中随机寻 找f 标函数的伞局最优解。这种方法适于解决多变量组合优化问题。其优点是可 以绕过局部最优解，找到全局( 或近似全局) 最优解。 简单模拟退火算法求解组合优化问题的基本思想是： ( 1 ) 把每一种组合状念s ，看成足某一物质体系的微脱状态，而c ( s ) 看成该 物质体系在状态s 下的内能，并用控制参数丁从一个足够高的值慢慢l 、降。 ( 2 ) 用m e t r o p l i c s 抽样法在计算机上模拟该体系在此温度卜的热j f 衡状态， 即对当前状态s 随机扰动产生一个新状态j ，计算增量n c ( s ) = c ( s ) 一c ( s ) ，若 c ( j ) 0 ，接受s 为新状态，否则以概率e x p ( a c ( s ) 后丁) 接受s 作为新的状态。 5 6 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ 一 第5 章三相鼠笼异步电机效率的改进及优化 ( 3 ) 当重复地如此随机扰动足够多次后且丁下降足够慢，且t 0 ，当前状 态将具有最小c ( s ，) 状态。 在多种优化算法中，禁忌搜索算法( t a b us e a r e ha l g o r i t h m ，简称t a b u 算法) 是一种局部邻域算法的推广。由f g l o v e r 于1 9 8 6 年为求解组合优化问题首次提 出。禁忌搜索算法的主要特点是采用了禁忌技术，即在寻优过程中禁止重复前面 的工作，以跳出局部最优点，实现全局优化的最终目标。这样避免了寻优过程中 大量无效计算，保证了对不同有效搜索途径的探索。 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称g a 算法) 是模仿自然界生物进化机制发展 起来的随机全局搜索和优化方法。它与传统的算法不同，大多数古典的优化算法 是基于一个单一的度量函数的梯度或较高次统计，以产生一个确定性的试验解序 列；遗传算法不依赖于梯度信息，而是通过模拟自然进化过程来搜索最优解，它 利用编码操作将问题空间映射到编码空间；然后在编码空间内进行选择、交叉、 变异三种遗传操作，并循环迭代下去，模拟生物遗传进化机制，搜索编码空间的 最优解；最后逆映射到原问题空间，从而得到原问题的最优解。这足一种高效、 并行、随机、全局搜索的方法，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以求得最优解一2 | 。 标准遗传算法的主要步骤为： ( 1 ) 随机产生一组初始个体构成初始种群，并评价每一个体的适配值。 ( 2 ) 判断算法收敛准则是否满足。满足则输出搜索结果；否则执行以下步骤。 ( 3 ) 根据适配值大小以一定方式执行复制操作。 ( 4 ) 按交义概率以执行交叉操作。 ( 5 ) 按变异概率以执行变异操作。 ( 6 ) 返回步骤( 2 ) 遗传算法流程如图5 8 所示。 北京t 、l k 大学t 学硕十学位论文 图5 - 8 干，j i 准遗传强法的流样i 纠 f i g u r e5 - 8s t a n d a r dg e n e t i ca l g o r i t h mf l o w c h a r t 与传统的算法相比，遗传算法具有以f 特点： ( 1 ) 对可行解表示的广泛性。遗传算 上处理的对象不是参数本身，而足针对 那些通过参数集进行编码得到的基因个体。应用编码技术使得遗传算法可以直接 对结构对象进行操作，而f i 需要对求导和函数连续性等的进行限定，尤其对一些 无数值概念只有代 i 码概念的优化问题史j j i l - h 效。 ( 2 ) 群体搜索特性。遗传算法具自内存的隐并i j ：性，同时使用多个搜索点的 搜索信息。遗传算法是从很多个体所组成的一个初始群体丌始最优解的搜索过 程，而彳 是从一个单一的个体，l ：始搜索，因此与传统的算法相比，它具有更好的 全局导优能力。 第5 章三相鼠笼异步电机效率的改进及优化 ( 3 ) 不需要辅助信息。它能够自动获取和指导优化搜索的空间，自适应地调 整搜索的方向，不需要确定规则。 ( 4 ) 内在启发式随机搜索特性。遗传算法直接以目标函数作为搜索信息。它 仅使用由目标函数变换来的适应度函数值，就可以确定进一步的搜索方向和搜索 范围，而对目标函数及其约束条件无需要求函数可微等限制条件，因此具有极强 的鲁棒性和广泛的适用性。 ( 5 ) 遗传算法在搜索过程中不易陷入局部最优。 5 2 3 用遗传算法对- - $ b 鼠笼异步电机进行效率优化 电机优化设计的数学模型涉及到四个方面：目标函数的选择、优化变量的选 取、约束条件的处理和增广目标函数的构建。 下面就结合三相异步电机的实际情况，对其优化数学模型的四个方面逐一讨 论。 5 2 3 1 目标函数的选择 选定目标函数是电机优化设计中最重要的决策之一，它体现了设计者的意 图，同时也体现了国家的有关技术经济政策。电机优化设计可分为币目标优化和 多目标优化，自玎者以电机的一个技术性能指标作为优化目标函数进行优化，而后 者综合多个技术- i k 能指标作为目标函数进行优化。在本文中仅讨论单目标优化问 题，对除单目标以外的技术性能指标用约束条件的形式加以保证。 在电机的设计中如何利用现有的技术设备条件尽可能的提高电机的运行效 率，同时电机的其他方面的技术性能又能让人们满意，是电机制造厂家和广大工 程技术人员普遍关心的i 、j 题之一。我们可以把效率作为目标函数而其他技术性能 指标作为约束条件进行优化设计，也能够取得令人满意的效果。 5 2 3 2 优化变量的选取 本文根据以下原则来选取电机优化设计变量： ( 1 ) 选取的电机优化没计变量应该对目标函数和电机性能影响较大，并且又 容易确定其他参数。对电机的优化设计来说，选取电机的几何尺寸和绕组参数作 为优化设计变量比较力使。 ( 2 ) 优化设计变量应该是独直的，因为优化设计的数学规划是定义在n 维欧 氏窄间中，这就要求各变量线性无关即相幻：独立。 5 9 北京工业大学t 学硕十学何论文 ( 3 ) 优化变量的设计数目应该适当，变量太少不能保证获得满意的设计方 案，变量太多则计算工作量太大，即不容易实现也没有必要。考虑到有些参数受 到来自其他方面的约束，应作为常量处理，如额定功率和额定电压必须符合产品 特定的规格而不能随意变动；按照以上原则，具体分析优化设计变量的选择，结 合5 1 节进行的参数分析，本文的三相鼠笼异步电机的优化设计的中，选取的优 化设计变量如下：铁心的长度、气隙长度、定子槽高、转子槽高、定子槽底宽度、 转子槽底宽度、定子槽口宽度和转子槽口宽度，这些参数对电机的特性有着重要 的影响【9 3 ，9 4 】。 5 2 3 3 约束条件的处理 电机的优化设计为有约束的最优化问题，一般分为性能约束和根据实际情况 的结构约束等。本文中选用的约束条件有 ( 1 ) 功率因数，取c o s 矽o 8 1 ； ( 2 ) 最大转矩倍数，t m 2 2 ； ( 3 ) 启动转矩倍数，z ，2 2 ； ( 4 ) 启动电流倍数，。，7 把上述约束条件直接应用到优化设计中是不合适的，因为各约束函数值数量 级相差较大，灵敏度不同，在优化计算中灵敏度高的约束会首先到达约束边界， 而其它的约束条件几乎得不到考虑。为避免这种情况的发生，本文将各约束条件 进行了规范化处理，使其达到相同或相近的数量级，这样上述电机的约束条件就 可以表示为相对值的形式。 g l ( x ) =c o s q - c o s 够o 0 c o s 9 2 ( 加孕o j m 0 咖) ：乏玉o ( 5 - 1 3 ) 1 s t o g a ( x ) 2 t s i i - - 1 5 t 。 第5 章三相鼠笼异步电机效率的改进及优化 5 2 3 4 增广目标函数的构建 三相鼠笼异步电机的优化模犁是一个有约束的复杂优化问题。由于遗传算法 为无约束优化问题，应用罚函数法将有约束问题转化为无约束问题。其增广目标 函数为 m 2 f ( x ) = 厂( x ) + m i n o ，毋( x ) 】) 哆 ( 5 1 4 ) 式中哆罚因子，根据约束条件性质的不同而选取不同的值，罚因子可以取 得较大，在计算过程中保持不变。 5 2 3 5 优化结果分析 表5 3 和5 4 分别为优化前后变量、约束和目标函数对照表。采用遗传算法 后，电机效率调高了1 4 7 1 3 ，同时电机的功率因数也有了很大改善，由o 8 0 8 5 7 5 提高到了o 8 6 8 2 5 2 。虽然最大转矩倍数与启动转矩倍数较原方案略有下降，但也 远高丁国标要求。启动电流倍数略有增加，但也在国标范围之内。在满足困标对 电机相关工作特性的限定卜，提高了电机的效率。 表5 - 3 优化前后的变鼍对照表 原方案遗传算法 铁心长度 1 3 5 r a m1 4 8 5 5 6 5 m m 气隙厚度 0 3 r a m0 2 8 r a m 定子槽高 1 1 1 m m1 0 4 9 3l m m 优 定子槽底宽 4 5 m m3 6 7 6 l m m 化 变 定f 槽v 1 宽 6 6 m m5 9 1 4 4 r a m l ： 鼻之 转子槽高 1 4 5 m m14 0 7 9 4 m m 转子槽底宽 2 r a m1 2 0 1 6 m m 转子槽u 宽 4 5 r a m3 6 0 7 7 m m 6 l 北京t 业大学t 学硕+ 学位论文 表5 _ 4 优化前后约束与目标变化对照表 原方案遗传算法国标 功率冈数 0 8 0 8 5 7 5 0 8 6 8 2 5 2 0 8 l 约 最人转矩倍数 3 7 3 6 93 6 0 1 8 1 62 2 束 条 启动转矩倍数 3 2 1 0 3 93 2 0 9 0 72 2 件 启动电流倍数6 8 7 9 7 96 9 2 0 1 97 目 效率 8 4 4 18 9 8 5 8 9 0 2 8 l 标 5 2 4 采用混合遗传算法对三相鼠笼异步电机进行效率优化 遗传算法的全局搜索能力非常强大，它能通过较少的进化代数使当前最优值 迅速逼近全局最优解，但遗传算法的后期搜索效果搜索效率相比是不理想的。 这主要是因为遗传算法后期的最优解已经逼近了全局最优解，并且此时种群中大 部分个体解码计算出来的增广目标函数值与种群最佳个体对应的增广目标函数 值相差很小，此时遗传算法进入了全局最优解附近的局部搜索，局部搜索能力较 差是遗传算法的不足之处，而传统搜索算法具有很强的局部搜索能力。冈此本文 把遗传算法与传统的模式搜索法结合起来使用形成，一种新的算法即混合遗传算 法【9 5 】，其思想概述如下： 首先使用遗传算法在问题窄问进行充分的全局搜索，在可以接受的时问内找 到一个最优方案，然后把这个最优方案用模式搜索法进行局部搜索，搜索到的最 优解即认为它是全局最优解。 表5 5 为采用混合遗传算法后的变量对照表，图5 - 9 和图5 一1 0 为采用混合遗 传算法后约束和目标对照图。可以看出，采用混合遗f 与算法厉，r 乜机的功率因数、 启动转矩倍数和最大转矩倍数都远高。t 二固标要求，启动电流倍数也满足国标限 定。电机额定运行时的效率达到了8 6 2 0 3 4 ，较币纯使用遗传算法增加了 o 3 1 3 2 ，增幅较小。但相比于困标对效率的限定，提高了5 2 0 3 4 ，增幅明显。 可见，采用混合遗传算法对电机进行优化设计后，住满足国标对电机1 作性能的 基础之上，电机效率有大幅提高，实现了设计的f 1 标。 6 2 第5 章三相鼠笼异步电机效率的改进及优化 表5 5 采用混合遗传算法后的变量对照表 原方案遗传算法混合遗传算法 铁心k 度 1 3 5 m ml4 8 5 5 6 5 m m14 8 5 5 7 m m 气隙厚度 0 3 m m0 2 8 m m0 2 8 m m 定子槽高 1 1 1 m m1 0 4 9 3l m m1 0 4 9 3l m m 优 定子槽底宽 4 5 m m3 6 7 6l m m3 6 7 6 0 6 m m 化 变 定子槽口宽 6 6 m m5 9 1 4 4 m m 5 9 1 4 4 2 m m l 胄邑 转子槽高 1 4 5 m m1 4 0 7 9 4 m m1 4 8 0 4 4 m m 转子槽底宽 2 m m1 2 0 1 6 m m1 4 0 1 5 9 m m 转子槽口宽 4 5 m m3 6 0 7 7 m m3 6 0 7 7 m m 图5 - 9 采用混合遗传算法后的l u 机i ：作特性对比图 f i g u r e5 - 9m o t o ro p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sb a rc h a r ta f t e rh y b r i dg e n e t i ca l g o r i t h mo p t i m i z a t i o n | ； ， 遗f 算法混合遗传算法同标 图5 1 0 采川混合遗传算法后的效率对比图 f i g u r e5 10m o t o re f f i c i e n c yb a rc h a na f t e rh v b r i dg e n e t i ca l g o r i t h mo p t i m i z a t i o n 6 3 北京t 业大学工学硕十学位论文 ii，i!i!舅 5 3 本章小结 本章以减少电机定子铁心损耗、定子绕组铜损耗和转子导条铜损耗为目标， 对电机结构进行改进来提高效率并分析了相关改进措施对电机工作特性的影响。7 在此基础上，对电机效率进行了优化。得到以下结论： ( 1 ) 采用高磁导率低比损耗的冷轧叠钢片可以有效减小铁心损耗，另外减少 叠钢片的厚度也可以减小铁心损耗。 ( 2 ) 在槽满率允许的情况下，增大导线直径可以有效减少定子绕组铜损耗， 提高电机效率。 ( 3 ) 剪短定子绕组端部长度和减小气隙厚度也可以提高电机效率，同时减小 气隙厚度有利于电机功率因数的提高，但会导致启动电流倍数的增大。 ( 4 ) 适当增加铁心长度可以有效提高电机效率、提高功率因数，但会导致启 动转矩倍数和最大转矩倍数减小，随着铁心长度的过度增加，电机效率提高幅度 越来越小，到后来开始降低。 ( 5 ) 以电机效率为优化目标，以电机工作特性为约束条件，采用遗传算法对 电机进行多变量优化，得到了较好的优化结果。并采用模式搜索法对优化结果进 行再次优化，效率进一步提高。 第6 章结论与展望 第6 章结论与展望 本文建立了三相鼠笼异步电机的场路耦合模型，对异步电机瞬态二维电磁场 进行计算，得到了电机的工作特性结果，并对启动过程中电机整体的磁场分布以 及转子导条的电流变化进行了分析；建立了三相鼠笼异步电机全域瞬态温度场模 型，计算了电机在额定负载情况下的瞬态三维温度场变化，并对电机不同负载运 行时的温度场以及影响温度场分布的因素进行了计算和分析；对电机结构进行改 进，在提高效率的基础上分析了相关改进对电机工作特性的影响；对电机效率进 行了优化。得到以下结论： ( 1 ) 当电机稳定运行时，磁力线较均匀的分布在定转子铁心内部，转子绕组 电流密度分布均匀。而当电机启动时磁力线主要集中在临近转子表面较薄的一层 内，定、转子齿端磁通密度很高，转子绕组电流密度沿径向逐渐变大，有明显的 集肤效应。启动过程中，电机定转子表层出现饱和现象。 ( 2 ) 在电机启动开始阶段，定转子温度迅速升高，随后温升幅度逐渐减小直 至达到稳定状态，整个过程中，转子导条温度始终高于定子绕组温度。当电机温 升达到稳定后，定子区域的整体温度低于转子区域，而机壳表面的温度是最低的。 ( 3 ) 转子铁心的轴向温差要大于定子铁心，而定子铁心的径向温差要大于转 子铁心。电机黎体的温度随着电机功率的增大而i 丁f | 高，但并不成线性增长的关系。 散热翅的高度对电机温度场有较大的影响。用铸铜代替铸铝作为转子导条及端环 可以有效降低转子区域的温度。 ( 4 ) 在槽满率允许的情况下，增大导线直径可以有效减少定子绕组铜损耗， 提高电机效率。剪短定子绕组端部长度和减小户e 隙厚度也可以提高电机效率，同 时减小气隙厚度有利于电机功率因数的提高，但会导致启动电流倍数的增人。适 当增加铁心长度可以有效提高电机效率、提高功率因数，但会导致启动转矩倍数 和最人转矩倍数减小。 ( 5 ) 用遗传算法对电机进行效率优化，并结合模式搜索法再次进行效率优 化，进一步提高了电机效率。 本文针对三桐鼠笼异步电机的电磁场、温度场和效率优化设计做了一部分工 作，对于如何实现电机在理想的温度情况下，效率达到最高，电机工作特性优良 还需要大帚的研究。进一步的研究工作可以从材料角度以及控制角度对电机进行 改进。另外，还可以从适应度函数标定、交叉变异参数控制等方面对遗传算法进 行改进，从而进一步提高电机效率。 6 5 参考文献 参考文献 l 陈伟华，李秀英，姚鹏中国中小型电机产业现状及发展趋势电机与控制应用2 0 0 8 ， 3 5 ( 2 ) ：1 - 5 2 傅丰礼美国高效电机的现状和发展趋势电机技术2 0 0 3 ，3 ：3 - 7 3 傅丰礼高效异步电动机国内外发展概况大众用电2 0 0 6 ，4 ：1 9 2 1 4 a b o g l i e t t i ，a c a v a g n i n o ，m l a z a r r i ，m p a s t o r e l l i as i m p l i f i e dt h e r m a lm o d e lf o r v a r i a b l e s p e e ds e l f - c o o l e di n d u c t i o nm o t o r i e e et r a n s a c t i o n so ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n s 2 0 0 3 ，3 9 ( 4 ) ：9 4 5 9 5 2 5 a b o g l i e t t i a c a v a g n i n o d a s m t o n t e f ci n d u c t i o nm o t o r st h e r m a lm o d e l s ：a p a r a m e t e rs e n s i t i v i t ya n a l y s i s i e e et r a n s a c t i o n so ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n s 2 0 0 5 ，4 l ( 3 ) ： 7 5 6 7 6 3 6戴文迸，徐龙权电机学清华大学出版社2 0 0 8 ：1 0 8 1 3 8 7n d s h a r m a ，r a n b a r a s u ，j n a t a r a j ，a yd a n g o r e ，b b h a t t a c h a o e e e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n s o nh i g hs p e e ds o l i da n d c o m p o s i t er o t o r i n d u c t i o nm o t o r p o w e r e l e c t r o n i c sd r i v e sa n de n e r g ys y s t e m sf o ri n d u s t r i a lg r o w t h 19 9 6 2 ：913 919 8 周波，任立立，韦海荣基丁等效电感方法的l u 磁式双凸极电机系统简化控制模型中 国电机1 ：科学报2 0 0 5 ，2 5 ( 1 4 ) ：1 0 9 1 1 4 9 m vk c h a f f ，gb e d r o s i a n ，j d a n g e l o f i n i t ee l e m e n ta p p l i c a t i o n si ne l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g i e e et r a n s a c t i o n so nm a g n e t i c s 1 9 9 3 ，2 9 ( 2 ) ：1 3 0 6 1 3 1 4 1ot e l a l e j s s h e p p a r d o n e s l o ts t e a d y s t a t em o d e lo fac a n n e d s o l i dr o t o ri n d u c t i o n m o t o r i e e et r a n s a c t i o n so nm a g n e t i c s 2 0 0 4 ，4 0 ( 4 ) ：18 9 2 - l8 9 6 1 lm e z a i m n o n l i n e a rm o d e l sf o rt h ed e s i g no fs o l i dr o t o ri n d u c t i o nm a c h i n e s i e e e t r a n s a c t i o n so nm a g n e t i c s 1 9 9 9 ，3 5 ( 3 ) ：1 3 1 0 1 3 1 3 12fn i s a a c ，a a a r k a n d a n ，a e a n t a b l y m a g n e t i cf i e l da n dc o r el o s se v a l u a t i o no f a l a r o t o rs y n c h r o n o u sr e l u c t a n c em a c h i n e st a k i n gi n t oa c c o u n tm a t e r i a la n i s o t r o p y i e e et r a n s a c t i o n so um a g n e t i c s 1 9 9 8 ，3 4 ( 5 ) ：3 5 0 7 3 5 1 4 13j h l e e ，j c hk i l n ，d s h y u n d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so fs y n c h r o n o u s r e l u c t a n c em o t o rc o n s i d e r i n gs a t u r a t i o na n di r o nl o s sb yf e m i e e et r a n s a c t i o n so n m a g n e t i c s i9 9 8 ，3 4 ( 5 ) ：2 6 2 9 2 6 3 2 1 4c m i l a nd el i d j i ab p m i r k a s o l i ds a l i e n tp o l es y n c h r o n o u sm o t o ra n a l y s i s p r o c e e d i n g so ft h em e d i t e r r a n e a ne l e c t r o t e c h n i c a lc o n f e r e n c e m e l e c o n 1 9 9 8 2 ： 1 1 4 0 1 1 4 1 15 o d r u b e l ，s k u l i g e d d yc u r r e n ti nt h er o t o ro ft u r b o g e n e r a t o r sd u r i n g3 - p h a s es h o r t c i r c u i t s i c e m2 0 0 0 2 0 0 0 ：8 8 3 8 8 7 16 h k a r m a k e r c m i h n p r o v i n gt h es t a r t i n gp e r f o r m a n c eo fl a r g es a l i e n t - p o l es y n c h r o n o u s m a c h i n e s ，i e e et r a n s a c l i o n so nm a g n e t i c s 2 0 0 4 ，4 0 ( 4 ) ：】9 2 0 19 2 8 1 7 张明玉，脚孝镐基_ i 磁场分析的复合转f 片步电机的参数汁算中小型电机1 9 9 3 ， 2 0 ( 3 ) ：8 12 1 8 周剑明，邵可然，周克定异步电机场路耦合数值模拟方法人电机技术1 9 9 5 ，( 2 ) ： 2 8 3 3 1 9 李开成，马忠云 种精确计算异步电机电感参数的通川算法i ui ：技术学报1 9 9 6 ， 6 7 北京下业大学t 学硕+ 学位论文 l l ( 1 ) ：2 1 - 2 3 2 0 江建中，傅为农异步电机电磁场计算的有限元模型综述电t 技术杂志1 9 9 8 ，( 1 ) ： 3 6 2 1 黄开胜，q h w u 异步电动机准确数学模犁及仿真中小型电机2 0 0 1 ，2 8 (