开关磁阻电机自主优化设计方法研究与CAD实现--毕业论文.docx

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本科毕业设计论文

本科毕业设计论文

题目开关磁阻电机自主优化设计方法研究与CAD实现

专业名称电气工程及其自动化

学生姓名

指导教师

毕业时间

设计

论文

毕业任务书

一、题目

开关磁阻电机自主优化设计方法研究与CAD实现

二、研究主要内容

选题来源：

国家自然科学基金

研究内容：

对开关磁阻电机优化设计方法进行研究，并基于此编写CAD优化设计软件。

研究方法：

首先掌握开关磁阻电机传统设计方法，并对包括遗传算法在内的优化算法的性能进行研究与改进，然后针对一定的性能要求及约束对开关磁阻电机进行优化设计，最后利用C++Builder开发计算机辅助优化设计软件，以达到缩短电机设计周期，提高设计精度的目的。

三、主要技术指标

优化算法：

通过对传统优化算法的改进，使其能够实现多参数、多目标优化，并在收敛快速性与结果准确度之间达到合理平衡，避免陷入局部最优。

CAD软件：

应包括传统设计和优化设计两个主要功能，以及图形化显示、加工图输出、报表生成、联机帮助等辅助功能。

采用多窗口及模块化管理技术，使软件具有友好的人机交互界面，灵活的操作流程，较强的可扩展性。

四、进度和要求

1周 资料收集，总体框架设计；

2—3周 对开关磁阻电机传统设计方法进行研究；

4—6周 对遗传算法等典型优化算法进行对比研究，对其性能进行仿真分析与改进；

7—9周 对电机主要尺寸进行敏感性分析，并针对一定的性能要求及约束，利用改进后的优化算法对电机几何尺寸进行优化；

10—13周 利用C++Builder编写计算机辅助优化设计软件；

14—15周 对优化方法及设计软件性能进行全面测试与改进；

16周 撰写毕设报告。

五、主要参考书及参考资料

[1]R.Krishnan,SwitchedReluctanceMotorDrivesModeling,Simulation,Analysis,Design,andApplications,USA:

CRCPress,2001,pp.55-106.

[2]陆卫忠,刘文亮等,“C++Builder6程序设计教程,”北京:

科学出版社,2009.

[3]贾好来,吝伶艳等,“电机CAD技术,”北京:

中国电力出版社,2010.

[4]Torrey,D.A;,"Switchedreluctancegeneratorsandtheircontrol,"IndustrialElectronics,IEEETransactionson,vo1.49,no.l,ppJ-14,Feb2002.

[5]S.Owatchaiphong,C.CarstensenandR.W.DeDoncker.OptimizationofPredesignofSwitchedReluctanceMachinesCrossSectionUsingGeneticAlgorithms.7thInternationalConferenceonPowerElectronicsandDriveSystems,pp.707-711,2007.

[6]白凤仙,邵玉槐,孙建中.利用智能型模拟退火算法进行开关磁阻电机磁极几何形状的优化.中国电机工程学报,23

（1）:

126-131,2003.

[7]王立,刘景林,王刚,“参数化绘图功能在开关磁阻电机CAD系统中的实现,”微电机,43（10）:

16-18,2010.

学生___________指导教师___________系主任___________

4

VI

摘要

绕组电流的非正弦性以及铁心磁密的高饱和性给开关磁阻电机（SRM）设计造成了极大困难，现有设计及优化方法难以得到最优性能且缺乏自主性。

本文主要对开关磁阻电机的优化设计展开理论研究和仿真分析。

较低的运行效率以及显著的转矩脉动极大地限制了SRM的应用及推广，如何对电机本体进行优化设计以突破技术瓶颈，已成为目前的研究热点及难点。

通过对电机设计参数的分析发现定转子极弧和转子外径对电机的转矩脉动以及效率都有较大的影响。

因此，本文将定转子极弧、转子外径作为优化变量，转矩波动系数与效率作为优化目标对电机进行优化。

通过对几种优化算法的对比研究，本文选择的优化方法是粒子群算法。

粒子群算法具有搜索速度快、效率高、算法简单、适合于实值型处理等优点。

但是，对于离散的优化问题，粒子群算法容易陷入局部最优。

为了解决粒子群算法的这一缺点，本文借鉴了模拟退火算法，在更新粒子的时候利用一个概率函数选择性接受一些较差的粒子，这样可以有效地避免陷入局部最优。

最后，根据改进后的算法编写了CAD软件。

关键词：

开关磁阻电机，优化设计，粒子群算法，模拟退火算法，CAD软件。

ABSTRACT

Non-sinusoidalofwindingcurrentandhighsaturationofironcorecausegreatdifficultiesforswitchedreluctancemachine（SRM）design,andtheexistingdesignandoptimizationmethodsaredifficulttogetoptimalperformanceandlackofautonomy.ThispaperfocusesonthetheoreticalstudyandsimulationanalysisofSRMoptimaldesign.

LowefficiencyandsignificanttorqueripplegreatlylimittheapplicationandpopularizationofSRM.Howtooptimizethemachinetobreakthroughtechnicalbottleneckshasbecometheresearchhotspotanddifficulty.Bytheanalysisofdesignparameters,it’sfoundthatthestatorandrotorpolearc,therotordiameterhaveagreatinfluenceontorquerippleandefficiency.Therefore,thispapermakesrotorpolearc,statorpolearcandrotordiameterasoptimizationvariables,andtorqueripplecoefficientandefficiencyoptimizationgoal.

Throughcomparativestudyofseveraloptimizationalgorithms,thepaperselectedparticleswarmoptimization（PSO）,whichhashighsearchspeed,highefficiency,simplealgorithm,andissuitableforrealvaluetypeprocessing.But,fordiscreteoptimizationproblemit’seasytofallintolocaloptimum.Inordertosolvetheproblem,thispaperintroducessimulateannealarithmetic.Whenupdatingtheparticle,aprobabilityfunctionisusedtoselectivelyacceptsomepoorparticles,whichcaneffectivelyavoidgettingintolocaloptimum.Finally,CADsoftwareisdevelopedbasedontheimprovedalgorithm.

Keywords:

switchedreluctancemachine,optimaldesign,particleswarmoptimization（PSO）,simulatedannealingalgorithm,CADsoftware.

目录

第一章绪论 1

1-1本文的研究目的和意义 1

1-2开关磁阻电机的发展概况 1

1-3开关磁阻电机的研究概况 5

1-3-1开关磁阻电机的分析 5

1-3-2开关磁阻电机的设计 6

1-4本文主要研究内容 7

第二章开关磁阻电机的基本介绍 9

2-1开关磁阻电机基本结构和原理 9

2-2开关磁阻电机的数学模型 11

2-3开关磁阻电机的线性模型 12

2-4本章小结 13

第三章开关磁阻电机的设计与优化算法 14

3-1开关磁阻电机的设计 14

3-2几种新型优化算法介绍 15

3-2-1遗传算法 17

3-2-2模拟退火算法 18

3-2-3粒子群算法 19

3-2-4蚁群算法 21

3-3本章小结 23

第四章开关磁阻电机的优化设计 24

4-1初始设计及性能核算 24

4-1-1设计指标 24

4-1-2尺寸计算 24

4-1-3控制参数计算 25

4-1-4性能的初步核算 26

4-1-5关键尺寸敏感性分析 26

4-2粒子群算法的改进 27

4-2-1标准粒子群算法 28

4-2-2模拟退火算法 29

4-2-3混合算法 30

4-2-4仿真计算 30

4-3开关磁阻电机自主优化 31

4-4本章小结 32

第五章开关磁阻电机CAD优化设计软件 34

5-1电机CAD技术的现状与发展 34

5-2电机CAD的特点与研究内容 35

5-2-1电机CAD 35

5-2-2C++builder介绍 36

5-3CAD优化软件 37

第六章全文总结 41

参考文献 42

致谢 44

毕业设计总结 45

5

53

第一章绪论

1-1本文的研究目的和意义

开关磁阻电机（SRM）是双凸极结构，转子上既无绕组也无永磁体，定子各极上绕有集中绕组。

因此，具有坚固耐用、成本低、可靠性高、调速范围宽等优点，使它在工业领域得到了广泛应用[1]。

然而，与传统电机相比，SRM的输出转矩脉动、噪声和振动较大，这个缺点限制了它在伺服驱动这类要求低速运行平稳场合的应用。

为了提高SRM的运行性能，拓宽其应用领域，有必要对其优化设计方法进行研究。

绕组电流