一种基于概率分析的电机电磁设计方法技术

本发明专利技术提供一种基于概率分析的电机电磁设计方法。本发明专利技术提出在电机电磁设计计算时考虑材料性能、加工工艺、外载荷等随机变量波动的电机电磁设计计算方法，一种基于概率分析的电机电磁设计计算方法。用此方法可以正确、科学、客观地设计出满足技术条件和概率要求的电磁方案，用该电磁方案所对应的标准差要求可以为工艺设计提供依据，为生产流程提供指导意见，大大的减小潜在的设计失效率。

A Method of Electromagnetic Design for Motor Based on Probability Analysis

【技术实现步骤摘要】
一种基于概率分析的电机电磁设计方法
本专利技术涉及电机
，尤其涉及一种高效三相异步电动机的电磁设计方法。
技术介绍
三相异步电动机电磁设计是电机制造的第一步也是最关键的一步，关系到电机运行性能指标是否合格。三相异步电动机电磁设计计算经历了从手工进行电磁计算(根据设计者的经验调整设计方案)，到编写计算机程序并采用各种方法对电磁设计过程实现自动计算和方案优化。计算机程序主要以上海电器科学研究所1971年出版的《中小型三相异步电动机电磁计算程序》为基础，根据等值电路编制计算机程序。2003年，根据“以冷代热”开发Y3系列电机的需要，推出了磁路修正的程序。后来电磁计算程序增加了转子自定义槽型的设计计算，具体计算方法见专利CN201110440346.X《基于槽型元素组合的感应电机槽型设计计算》。再到后面的AnsoftMaxwell等有限元仿真软件的计算，无论哪种设计计算方法都是基于输入变量为确定量的确定性计算，电磁设计计算时都是没有考虑电机材料性能、加工工艺、外载荷的波动。专利CN107666220A“一种超高效交流永磁同步电机的鲁棒性优化方法”中公开了一种永磁同步电机在固定的西格玛水平n＝3时的优化计算方法。该方法没有考虑实际不同的生产流程，西格玛水平是不同的情况。同时也没有提出西格玛水平n＝3时，该最优方案所对应的概率要求，没有提出概率分析模型。随着高效电机的推广，目前我国高效电机已经设计到了IE4一级能效等级。由于新材料的限制，在设计一级能效以上的超IE4高效电机时会有困难。也随着市场的需要，人们希望电机设计的体积小而输出功率大，这些都增加了设计和制造的难度。人们在设计极限效率电机或者小体积增容电机的电磁方案时，输入的参数往往都是均值，而实际生产制造中有些输入参数都是随机变量，是服从某种分布形式的。当生产工艺波动时，往往会造成电磁方案的设计失效。鉴于极限效率电机或小体积增容电机的特点，其对标准差要求更加苛刻。因此会造成当电机材料性能、加工工艺、外载荷的波动时，基于输入变量为均值计算所得的合格方案，其设计失效的概率会有上升趋势。出于实际的需求，人们开始关心电机电磁设计计算程序输入参数的随机特性以及满足概率要求的电磁方案所对应的标准差要求。因此，如何正确、科学、客观地设计出满足技术条件和概率要求的电磁方案，又如何给出该电磁方案所对应的标准差要求是摆在人们面前的一个现实问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是：提供一种考虑电机材料性能、加工工艺、外载荷等外应力波动的电机电磁设计方法。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是提供了一种基于概率分析的电机电磁设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、确定电动机电磁设计计算的随机变量向量X＝[x1，x2，...，xi，...，xn]T，式中，xi表示第i个随机变量，随机变量向量是根据电机图样、技术条件和制造过程的实践经验等要求，确定电机电磁设计方案输入变量中影响性能指标较敏感的变量为随机变量；步骤2、确定随机变量向量X中各随机变量的分布类型及其分布参数；步骤3、初设电机性能参数最低指标，初设所选各随机变量的标准差和均值：第i个随机变量xi的标准差为σi，则有标准差向量σ＝[σ1，σ2，...，σi，...，σn]T第i个随机变量xi的均值为μi，则有均值向量μ＝[μ1，μ2，...，μi，...，μn]T；步骤4、建立功能函数Fk(X)以表征电机性能指标和用户特定要求指标是否满足最低要求，其中k＝1，…，m，m为要进行概率分析的性能指标个数，Fk(X)≥0表示第k个性能指标要求得到满足，Fk(X)＜0表示第k个性能指标要求无法得到满足；步骤5、建立概率分析模型：Rk＝P(Fk(x)≥0)，Rk为第k个性能指标要求得到满足的概率；步骤6、确定概率分析所使用的算法；算法是指根据编制的电磁设计计算机程序每次运行计算时间的长短，选择是否要先进行拟合近似模型。本专利技术直接调用的计算机程序计算时间很短(约100ms)，无需拟合近似模型。选定算法为标准蒙特卡罗法MonteCarlo。当采用有限元进行电磁设计计算时，由于计算时间成本较大，宜进行试验设计再拟合近似模型；步骤7、确定每次概率分析的随机抽样计算次数N；步骤8、依据步骤6确定的算法及步骤7确定的随机抽样计算次数N计算每个性能指标要求得到满足的概率，得到概率向量R，R＝[R1，R2，...，Rk，...，Rm]T；步骤9、计算收敛判据：|Rk-Rko|≤ξk，式中，Rko为预先设定的概率，即第k个性能指标值满足要求的最低概率设定值，ξk为第k个性能指标要求其概率值得到满足时的收敛精度；步骤10、开始迭代计算，判定收敛判据是否成立，若收敛判据不成立，根据步骤8计算结果调整X＝[x1，x2，...，xi，...，xn]T后转移到步骤2重新根据新调整的参数进行步骤2至步骤9的计算，若成立，则执行步骤11；步骤11、计算电机性能的保证值：根据步骤2至步骤10迭代计算出来的最低考核指标值和电机技术条件中的电气性能容差要求，计算出电机性能参数的保证值，若计算所得的保证值小于技术条件或者技术协议中的保证值，则转移到步骤1重新根据新调整的优化方案重新确定X＝[x1，x2，...，xi，...，xn]T后进行步骤2至步骤10的计算，若成立，则执行步骤12；步骤12、输出计算结果：输出电机电磁结构参数均值μ、电机性能指标保证值、该方案所选随机变量的标准差要求。优选地，步骤1中，三相异步电动机电磁设计计算的随机变量向量X＝[Di1，D2，KFe，R1，PCu1，PCu2，PFe，Pfw，Ps，P2，Lt，kt，kc，sk]，式中，Di1为定子内径、D2为转子外径、KFe为铁心叠压系数、R1为直流稳态电阻、PCu1为定子铜耗、PCu2为转子铜耗、PFe为铁心损耗、Pfw为风摩耗、Ps为杂散损耗、P2为实际工况运行负载、Lt为铁心长度、kt为齿部铁耗系数、kc为轭部铁耗系数、sk转子斜槽度。优选地，步骤4中，三相异步电动机的功能函数Fk(X)为：式中，cos′为初设功率因数的最低考核要求，为功率因数关于X的函数；η′为初设效率的最低考核要求，η(X)为效率关于X的函数；Ist′为初设起动电流倍数的最大考核要求，Ist(X)为起动电流倍数关于X的函数；Tst′为初设起动转矩倍数的最低考核要求，Tst(X)为起动转矩倍数关于X的函数；Tm′为初设最大转矩倍数的最低考核要求，Tm(X)为最大转矩倍数关于X的函数；K为用户协议要求的功率因数与效率乘积最小值。优选地，步骤5中，三相异步电动机电磁设计计算时概率分析模型为：优选地，步骤10中，调整X＝[x1，x2，...，xi，...，xn]T是指根据以下步骤原则和优先级调整一个或多个随机变量：1)调整标准差σ，从较低西格玛水平开始迭代，一直迭代计算到所有性能指标要求得到满足时的概率Rk均大于设定的概率Rko。2)调整工艺系数均值μ，从较容易实现的工艺水平系数均值开始迭代，根据上一步的均值灵敏度和实践经验应尽可能的逐步提高工艺水平系数，从而达到降低上述收敛时所对应的西格玛水平，或者达到在同一西格玛水平时提高了性能指标满足要求的概率值的目的；3)调整最低考核指标参数，从最先达到概率要求的那个性能指标着手，从较高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于概率分析的电机电磁设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、确定电动机电磁设计计算的随机变量向量X＝[x1，x2，...，xi，...，xn]

【技术特征摘要】
1.一种基于概率分析的电机电磁设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、确定电动机电磁设计计算的随机变量向量X＝[x1，x2，...，xi，...，xn]T，式中，xi表示第i个随机变量，随机变量向量是根据电机图样、技术条件和制造过程的实践经验等要求，确定电机电磁设计方案输入变量中影响性能指标较敏感的变量为随机变量；步骤2、确定随机变量向量X中各随机变量的分布类型及其分布参数；步骤3、初设电机性能参数最低指标，初设所选各随机变量的标准差和均值：第i个随机变量xi的标准差为σi，则有标准差向量σ＝[σ1，σ2，...，σi，...，σn]T第i个随机变量xi的均值为μi，则有均值向量μ＝[μ1，μ2，...，μi，...，μn]T；步骤4、建立功能函数Fk(X)以表征电机性能指标和用户特定要求指标是否满足最低要求，其中k＝1,…,m，m为要进行概率分析的性能指标个数，Fk(X)≥0表示第k个性能指标要求得到满足，Fk(X)<0表示第k个性能指标要求无法得到满足；步骤5、建立概率分析模型：Rk＝P(Fk(x)≥0)，Rk为第k个性能指标要求得到满足的概率；步骤6、确定概率分析所使用的算法；步骤7、确定每次概率分析的随机抽样计算次数N；步骤8、依据步骤6确定的算法及步骤7确定的随机抽样计算次数N计算每个性能指标要求得到满足的概率，得到概率向量R，R＝[R1，R2，...，Rk，...，Rm]T；步骤9、计算收敛判据：│Rk-Rko│≤ξk，式中，Rko为预先设定的概率，即第k个性能指标值满足要求的最低概率设定值，ξk第k个性能指标要求其概率值得到满足时的收敛精度；步骤10、开始迭代计算，判定收敛判据是否成立，若收敛判据不成立，根据步骤8计算结果调整X＝[x1，x2，...，xi，...，xn]T后转移到步骤2重新根据新调整的参数进行步骤2至步骤9的计算，若成立，则执行步骤11；步骤11、计算电机性能的保证值：根据步骤2至步骤10迭代计算出来的最低考核指标值和电机技术条件中的电气性能容差要求，计算出电机性能参数的保证值，若计算所得的保证值小于技术条件或者技术协议中的保证值，则转移到步骤1重新根据新调整的优化方案重新确定X＝[x1，x2，...，xi，...，xn]T后进行步骤2至步骤10的计算，若成立，则执行步骤12...

【专利技术属性】
技术研发人员：向懿，黄坚，李光耀，姚丙雷，韦福东，王建辉，
申请(专利权)人：上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海电器科学研究所集团有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31