水輪發(fā)電機(jī)多物理場(chǎng)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱殿華，郭 偉

(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072)

水輪發(fā)電機(jī)多物理場(chǎng)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱殿華，郭 偉

(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072)

以水輪發(fā)電機(jī)為典型復(fù)雜產(chǎn)品研究實(shí)例，深入分析了電機(jī)穩(wěn)態(tài)工作時(shí)多物理場(chǎng)的相互耦合作用，對(duì)電機(jī)的電磁場(chǎng)、通風(fēng)散熱流-固熱耦合場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值分析和計(jì)算，計(jì)算結(jié)果切實(shí)有效.在此基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)的角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中電磁、通風(fēng)、散熱學(xué)科進(jìn)行分析，確立了學(xué)科間的參數(shù)耦合關(guān)系，建立了電機(jī)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，采用集成優(yōu)化方法 MDF對(duì)此模型進(jìn)行了優(yōu)化求解，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案通過(guò)數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了有效驗(yàn)證，初步實(shí)現(xiàn)了電機(jī)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而為多領(lǐng)域復(fù)雜產(chǎn)品的綜合優(yōu)化做出了有益探索.

水輪發(fā)電機(jī)；耦合；綜合優(yōu)化；自動(dòng)化

復(fù)雜產(chǎn)品諸如飛機(jī)、汽車(chē)、掘進(jìn)機(jī)等大型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程具有設(shè)計(jì)變量和約束數(shù)目多、領(lǐng)域間耦合關(guān)系復(fù)雜、設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣且難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)果的優(yōu)化和缺乏有效的方案驗(yàn)證手段等特點(diǎn)和難點(diǎn).當(dāng)前學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)多集中于復(fù)雜產(chǎn)品的建模、集成分析技術(shù)、多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)等方面[1-10]，可付諸實(shí)踐的工程研究成果鮮有發(fā)表.筆者以水輪發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜、工作過(guò)程中存在的多領(lǐng)域耦合現(xiàn)象進(jìn)行深入分析，力求實(shí)現(xiàn)電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化和綜合優(yōu)化.

1 多物理場(chǎng)數(shù)值分析方法

1.1 電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算

選用立式水輪發(fā)電機(jī)為分析模型，該電機(jī)定子108槽，轉(zhuǎn)子4對(duì)磁極.具體參數(shù)為：視在功率11,764.7,kVA，額定電壓 6,300,V，功率因數(shù) 0.85，工作頻率50,Hz，勵(lì)磁電流1,078.2,A.

電機(jī)中的電磁場(chǎng)問(wèn)題一般歸結(jié)為一個(gè)偏微分方程的邊值問(wèn)題[11].為了簡(jiǎn)化磁場(chǎng)計(jì)算，這里不考慮電機(jī)端部效應(yīng)，認(rèn)為磁場(chǎng)在軸向方向上是均勻分布的，因此利用二維靜態(tài)電磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行分析和計(jì)算.為了考慮電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極、定子齒槽、氣隙大小以及鐵磁材料對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)的影響，選取整個(gè)電機(jī)圓周為計(jì)算區(qū)域，以矢量磁位Az作為求解變量.現(xiàn)對(duì)電機(jī)做出假設(shè)：

(1) 采用二維電磁場(chǎng)計(jì)算，選取國(guó)際單位制；

(2) 不考慮交變磁場(chǎng)在定子繞組、鐵心沖片及機(jī)座中的渦流反應(yīng)，因此同步發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)可作為非線性穩(wěn)定磁場(chǎng)來(lái)處理；

(3) 鐵心里的磁導(dǎo)率是各向同性的.

在上述假設(shè)前提下，得到非線性泊松方程和邊界條件為.

求解區(qū)域 Ω：整個(gè)剖分區(qū)域邊界條件為定子外圓邊界 Bn=0.

采用 ANSYS軟件的電磁分析部分對(duì)電機(jī)的空載磁場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.單元類(lèi)型采用 PLANE53 八節(jié)點(diǎn)四邊形/六節(jié)點(diǎn)三角形的二維單元對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行剖分，得到電機(jī)二維模型以及剖分后圖形如圖1所示.

圖1 電機(jī)二維幾何模型Fig.1 Two-dimensional geometric model of generator

通過(guò) ANSYS后處理可以得到空載時(shí)的路徑點(diǎn)磁位曲線，如圖2所示.

根據(jù)路徑點(diǎn)磁位曲線可以進(jìn)行氣隙磁場(chǎng)和空載特性的計(jì)算.計(jì)算得空載電勢(shì) Ev= 6 301.355823V ，與設(shè)計(jì)值6,300,V基本吻合.從而證明了電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的有效性.

圖2 路徑點(diǎn)磁位曲線Fig.2 Magnetic potential curve of path point

1.2 流-固熱耦合場(chǎng)數(shù)值分析

電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，電磁場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)同時(shí)存在.因此，從熱耦合的角度進(jìn)行通風(fēng)、散熱系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算更具有工程價(jià)值.

圖3 電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)示意Fig.3 Ventilation system diagram of generator

實(shí)驗(yàn)?zāi)M立式水輪發(fā)電機(jī)電機(jī)部分的流-固熱耦合場(chǎng)，采用的是徑向自通風(fēng)冷卻系統(tǒng)如圖 3所示.由冷卻器出來(lái)的冷卻空氣在擋風(fēng)板的限制下，流經(jīng)轉(zhuǎn)子支架，轉(zhuǎn)而向外經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)子磁軛徑向通風(fēng)孔、磁極間隙、定轉(zhuǎn)子間隙和定子徑向通風(fēng)槽片間隙，對(duì)轉(zhuǎn)子線圈、定子線圈和定子鐵芯等部件進(jìn)行冷卻后流回空氣冷卻器，冷卻后的空氣重新進(jìn)入風(fēng)道進(jìn)行冷卻.在流動(dòng)過(guò)程中，冷卻空氣會(huì)和定、轉(zhuǎn)子的升溫部件發(fā)生對(duì)流換熱，主要發(fā)生在以下幾個(gè)部分.

(1) 在流過(guò)定、轉(zhuǎn)子間隙過(guò)程中，冷卻空氣會(huì)和定子齒表面、定子線圈外部包裹物和轉(zhuǎn)子鐵芯上表面發(fā)生對(duì)流換熱.

(2) 在流經(jīng)轉(zhuǎn)子磁極間隙的過(guò)程中，會(huì)和轉(zhuǎn)子線圈的迎風(fēng)面發(fā)生對(duì)流換熱.

(3) 在流過(guò)定子徑向通風(fēng)槽片間隙的過(guò)程中，會(huì)和定子鐵芯以及定子線圈外部的云母帶發(fā)生對(duì)流換熱.

立式水輪發(fā)電機(jī)定子溫度場(chǎng)的熱源有定子鐵芯和定子線圈.其產(chǎn)生的損耗主要包括：額定電流時(shí)定子繞組的基本銅耗，額定電流時(shí)定子繞組的附加銅耗，空載額定電壓時(shí)定子軛中的鐵耗等，熱損耗值可通過(guò)電磁計(jì)算過(guò)程獲得.立式水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子熱損耗包括勵(lì)磁繞組中的銅耗和分布在轉(zhuǎn)子磁極表面及阻尼繞組中的附加損耗.其熱損耗值同樣可通過(guò)電磁計(jì)算過(guò)程獲得.

電機(jī)工作時(shí)，強(qiáng)制通入的空氣介質(zhì)與固體之間、固體與固體之間將產(chǎn)生對(duì)流換熱和導(dǎo)熱過(guò)程，其原理主要是傳熱學(xué)中的傳熱基本定律[12].

在熱力學(xué)第一定律基礎(chǔ)上，結(jié)合傅里葉定律，獲得溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)表達(dá)式，再得到導(dǎo)熱微分方程.推導(dǎo)出的笛卡爾坐標(biāo)系下三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程的一般形式為

式中：(x ,y,z)為導(dǎo)熱物體中的任意點(diǎn)坐標(biāo)，在該點(diǎn)分割出一個(gè)平行六面體微元dV；Φ˙為單位體積發(fā)熱率；ρ、cp、τ分別為微元體的密度、比定壓熱容和時(shí)間.

對(duì)于對(duì)流換熱，用數(shù)學(xué)方法解決時(shí)要求解包括3種情況的方程組，質(zhì)量的連續(xù)性方程、動(dòng)量的運(yùn)動(dòng)方程和能量守恒方程[13]分別為

式中：pc為比定壓熱容，J/(kg·K)；ρ為密度，kg/m3；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K).上述 3個(gè)方程是采用FLUENT軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬的理論依據(jù).

鑒于分析對(duì)象立式水輪發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱(chēng)性和各個(gè)物理場(chǎng)的周期性分布，并且轉(zhuǎn)子支架有7個(gè)支架孔，為了提高計(jì)算速度，建立 1/28模型進(jìn)行分析.由于模型的復(fù)雜性，為了保證計(jì)算的可行性，在保證計(jì)算準(zhǔn)確性的前提下對(duì)流場(chǎng)和兩個(gè)溫度場(chǎng)求解區(qū)域的結(jié)構(gòu)上做出假設(shè).

(1) 所要求解的是定、轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)，因此流場(chǎng)的求解區(qū)域取電機(jī)轉(zhuǎn)子支架進(jìn)口處到定子軛出口處，建立計(jì)算模型.

(2) 定子入口和出口處均有定子線圈，雖然此處結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)量巨多，但是對(duì)氣流影響有限.如果考慮，結(jié)構(gòu)將十分復(fù)雜，網(wǎng)格數(shù)量將十分巨大，普通計(jì)算機(jī)無(wú)法計(jì)算，而且數(shù)值解可能是發(fā)散的.為簡(jiǎn)化計(jì)算先不考慮定子槽外線圈影響.

(3) 轉(zhuǎn)子是靜止的，計(jì)算時(shí)只考慮穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)情況.

(4) 兩個(gè)定子齒中間的定子線圈為發(fā)熱熱源，簡(jiǎn)化為中部線圈，忽略掉包裹它們的絕緣體.

(5) 因?yàn)榫€圈棒槽部銅與端部銅之間的熱交換可以忽略，建模時(shí)不考慮端部線圈.

(6) 假設(shè)定子鐵心與線圈棒緊密相連.

(7) 轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組(轉(zhuǎn)子線圈)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu).由于勵(lì)磁繞組的銅線采用七邊形結(jié)構(gòu)，其外邊為 1個(gè)三角形，如近似為一平面，這樣減小了線圈和磁極間隙空氣的接觸面積，從而減少了散熱面積，減少了對(duì)流換熱量，實(shí)際上增大了安全系數(shù).

(8) 轉(zhuǎn)子端部主要由勵(lì)磁繞組、壓板以及引線等組成，其端部及極間通風(fēng)損耗(摩擦損耗)可認(rèn)為很小不加考慮.

(9) 勵(lì)磁繞組的絕緣比較復(fù)雜，繞組匝間絕緣最厚為0.3,mm，故假定繞組之間不存在絕緣.

根據(jù)以上的條件及假設(shè)，建立水輪發(fā)電機(jī)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的求解區(qū)域模型，如圖4所示.

圖4 通風(fēng)、散熱系統(tǒng)幾何建模Fig.4 Geometric model of ventilation and cooling system

將上述模型帶入 CFD旗艦產(chǎn)品 FLUENT進(jìn)行流-固熱耦合數(shù)值計(jì)算，分析結(jié)果如圖5所示.

圖5 流場(chǎng)速度矢量Fig.5 Velocity vectors of flow field

由圖 5可以看出轉(zhuǎn)子軛徑向通風(fēng)孔中空氣的流速最大，平均流速在32.8～37.4,m/s.符合流量一定的條件下，過(guò)流面積越小，流速越大的基本原理.

由圖 6可以看出磁極與轉(zhuǎn)子線圈接觸的部位溫度最高，因?yàn)檫@個(gè)部位屬于熱量集聚部位，散熱路徑較長(zhǎng)，熱量較難散走.由圖 7可以看出由于某些流線在轉(zhuǎn)子軛徑向通風(fēng)口較窄，故許多流線在此處折回.在其他條件允許下盡可能增大其面積可以有效改善通風(fēng)狀況.

圖6 電機(jī)溫度場(chǎng)分布Fig.6 Temperature field distribution of generator

圖7 流場(chǎng)跡線Fig.7 Particle pathlines of flow field

通過(guò)數(shù)值計(jì)算可以觀察到電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中各關(guān)鍵點(diǎn)的工況，但由于數(shù)值計(jì)算比較費(fèi)時(shí)，而且對(duì)初始參數(shù)的依賴(lài)性較大，通用性較差，所以更適合做方案設(shè)計(jì)優(yōu)化后的驗(yàn)證手段.

2 綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)

水輪發(fā)電機(jī)方案設(shè)計(jì)屬典型多領(lǐng)域耦合設(shè)計(jì)問(wèn)題.具體表現(xiàn)在：電磁學(xué)科、通風(fēng)計(jì)算和熱分析過(guò)程中，彼此之間存在著諸多學(xué)科間交叉變量；傳統(tǒng)的、串行的基于單一學(xué)科分析的發(fā)電機(jī)方案設(shè)計(jì)流程割裂了電磁、通風(fēng)、熱計(jì)算等學(xué)科間固有的耦合關(guān)系.其直接結(jié)果會(huì)導(dǎo)致即使某一學(xué)科取得最優(yōu)值，卻不能保證整個(gè)電機(jī)方案設(shè)計(jì)結(jié)果最優(yōu)，從而因不能充分發(fā)揮電機(jī)材料的使用性能而導(dǎo)致電機(jī)加工、制造成本的增加.因此，若要從系統(tǒng)的角度出發(fā)，得到整個(gè)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的綜合優(yōu)化解，就必須根據(jù)學(xué)科間參數(shù)耦合關(guān)系，建立起綜合優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，對(duì)電機(jī)進(jìn)行多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)綜合利用性能的最大化.

2.1 綜合優(yōu)化模型的建立

通過(guò)深入分析電機(jī)的方案設(shè)計(jì)過(guò)程，可將電機(jī)的設(shè)計(jì)問(wèn)題劃分為電磁、通風(fēng)、熱計(jì)算3個(gè)子學(xué)科，學(xué)科間耦合關(guān)系如圖8所示.

圖8 電機(jī)綜合優(yōu)化模型Fig.8 Integrated optimization model of generator

電機(jī)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)模型中，各變量含義為

X為設(shè)計(jì)需求向量，包括視在功率、額定電壓、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)和額定頻率5個(gè)基本參數(shù).

X1為電磁學(xué)科設(shè)計(jì)向量，包括定子、轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁、電流、阻尼、損耗和判定系數(shù) 7個(gè)方面共 81個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù).

X2為通風(fēng)學(xué)科設(shè)計(jì)向量，包括定子通風(fēng)槽、磁軛風(fēng)隙、冷卻器和空氣溫度等4個(gè)方面共16個(gè)參數(shù).

X3為熱計(jì)算學(xué)科設(shè)計(jì)向量，本例只包括設(shè)計(jì)需求向量.

g1、f1分別為電磁學(xué)科各變量的約束條件和目標(biāo)函數(shù).

g2、f2分別為通風(fēng)計(jì)算學(xué)科各變量的約束條件和目標(biāo)函數(shù).

g3、f3分別為熱計(jì)算學(xué)科各變量的約束條件和目標(biāo)函數(shù).

Y13為電磁計(jì)算后輸入熱計(jì)算學(xué)科的狀態(tài)向量.所包含的狀態(tài)變量包括定子軛、定子齒、齒-軛之間沿徑向熱阻、端部線圈和絕緣熱阻 5方面共 10個(gè)耦合狀態(tài)變量.

Y23為通風(fēng)計(jì)算后輸入熱計(jì)算學(xué)科的狀態(tài)向量.主要指流經(jīng)定子徑向風(fēng)溝、定子軛通風(fēng)隙處的風(fēng)速.

Y12為電磁計(jì)算后輸入通風(fēng)計(jì)算學(xué)科的狀態(tài)向量.包括定子外徑、定子通風(fēng)溝結(jié)構(gòu)尺寸、轉(zhuǎn)子支架外徑、極靴尺寸和軸承損耗等共7個(gè)耦合狀態(tài)變量.

2.2 尋優(yōu)策略的選擇和制定

電機(jī)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，電磁學(xué)科與通風(fēng)、熱計(jì)算學(xué)科間不但存在著大量共享設(shè)計(jì)變量，還存在著相當(dāng)數(shù)量的耦合狀態(tài)變量，其中電磁設(shè)計(jì)過(guò)程最復(fù)雜，多學(xué)科優(yōu)化過(guò)程中難以進(jìn)行包括 GSE在內(nèi)的全局靈敏度分析[14].考慮到3個(gè)學(xué)科設(shè)計(jì)變量數(shù)較少(低于700個(gè))，故在尋優(yōu)策略的選擇上采用了單級(jí)優(yōu)化算法中的MDF形式，如圖9所示.該算法易于構(gòu)造，無(wú)需計(jì)算全局靈敏度分析，且優(yōu)化過(guò)程中涉及的學(xué)科數(shù)目不大，具備可行性.

采用 MDF尋優(yōu)策略，確立電機(jī)系統(tǒng)級(jí)多學(xué)科優(yōu)化目標(biāo)為：電機(jī)電磁性能最優(yōu)的前提下，盡量降低整機(jī)最大風(fēng)速值和定子最高溫升.全局優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型及各變量含義參見(jiàn)式(6)和表1.

圖9 電機(jī)MDF尋優(yōu)策略Fig.9 Generator′s MDF formulation

表1 電機(jī)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)變量Tab.1 Variables for integrated optimization design of generator

2.3 優(yōu)化過(guò)程及實(shí)現(xiàn)

針對(duì)上述 MDF算法構(gòu)造形式，在多學(xué)科優(yōu)化集成軟件 ISIGHT[15]中搭建計(jì)算框架，尋優(yōu)算法采用多目標(biāo)改進(jìn)遺傳算法 NSGA-Ⅱ法進(jìn)行求解.設(shè)定種群大小為 100，進(jìn)化代數(shù)為 200，雜交率為 0.9，進(jìn)化至100代時(shí)算法收斂.優(yōu)化后得到改善的電機(jī)總體性能指標(biāo)值列于表2.

圖10給出了綜合尋優(yōu)后得到的電機(jī)空載特性曲線.可以看出：電機(jī)的空載特性得到顯著改善，因而磁場(chǎng)分布更為合理，電磁方案設(shè)計(jì)結(jié)果更為有效.采用優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)值進(jìn)行電機(jī)內(nèi)流-固熱耦合場(chǎng)數(shù)值計(jì)算可知：流-固熱耦合場(chǎng)的變化較小.具體體現(xiàn)在：優(yōu)化后電機(jī)內(nèi)的風(fēng)量和風(fēng)壓分配仍能滿(mǎn)足通風(fēng)需求(yu0P ＞ )；調(diào)整后的通風(fēng)散熱條件下，定子最高溫度為 369,K(93,℃)，比優(yōu)化前溫度降低了 3,℃.由此可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，熱源處的溫升現(xiàn)象亦能得到改善，從而提高了電機(jī)的使用壽命.

表2 總體性能目標(biāo)值對(duì)比Tab.2 Comparison of overall performance index

圖10 電機(jī)優(yōu)化前后的空載特性Fig.10 Comparison of no-load characteristic between Fig.10 generator with and without optimization

3 結(jié) 語(yǔ)

采用數(shù)值計(jì)算方法先后對(duì)水輪發(fā)電機(jī)工作時(shí)的電磁場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和分析，建模手段和模型假設(shè)條件符合工程實(shí)際，應(yīng)用實(shí)例證明了數(shù)值計(jì)算方法的有效性.在此基礎(chǔ)上，借鑒多學(xué)科優(yōu)化思想，對(duì)電機(jī)的典型設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分析，建立了學(xué)科間耦合的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，并采用了有效的尋優(yōu)策略進(jìn)行了模型求解.求解后得到的參數(shù)化設(shè)計(jì)方案可通過(guò)數(shù)值計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，全面提升了水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，為電機(jī)的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)探明了方向，進(jìn)而為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品多領(lǐng)域綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)打下了良好基礎(chǔ).

［1］Suh N P. Axiomatic design theory for system[J].Research in Engineering Design，1998，10(4)：189-209.

［2］Xu Yong，Zou Huijun. Research on conceptual design of mechatronic systems[J].Conceptual Design of Mechatronic Systems, 2006，31(6)：661-669.

［3］Borges R，Mota A. Integrating UML and formal methods[J].Electronic Notes in Theoretical Computer Science，2007，184：97-112.

［4］Shirwaiker Rohan A，Okudan Gül E. Triz and axiomatic design：A review of case-studies and a proposed synergistic use[J].Journal of Intelligent Manufacturing，2008，19(1)：33-47.

［5］Sobieszczanski-Sobieski. Multidisciplinary aerospace design optimization：Survey of recent developments[J].Structural Optimization，1997，14(1)：1-23.

［6］李伯虎，柴旭東. 復(fù)雜產(chǎn)品虛擬樣機(jī)工程[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)-CIMS，2002，8(9)：678-683.

Li Bohu，Chai Xudong. Virtual prototyping engineering for complex product[J].Computer Integrated Manufacturing Systems，2002，8(9)：678-683(in Chinese).

［7］劉 靜，潘雙夏，馮培恩. 挖掘機(jī)器人虛擬樣機(jī)建模策略與仿真技術(shù)研究[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，38(11)：1490-1495.

Liu Jing，Pan Shuangxia，F(xiàn)eng Peien. Modeling and simulation of virtual robotic excavator prototype[J].Journal of Zhejiang University，2004，38(11)：1490-1495(in Chinese).

［8］Alexandra Sch?nning，Jarnal Nayfch，Richard Zarda. An integrated design and optimization environment for industrial large scaled systems[J].Research in Engineering Design，2005，16(2)：86-95.

［9］Qian Z，Xue C，Pan S. FEA agent for multidisciplinary optimization[J].Structural and Multidisciplinary Optimization，2001，22(5)：373-383.

［10］Jang B-S，Yang Y-S，Jung H-S，et al. Managing approximation models in collaborative optimization[J].Structural and Multidisciplinary Optimization，2005，30(1)：11-26.

［11］璆湯蘊(yùn) . 電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)[M]. 2版. 北京：科學(xué)出版社，1998.

Tang Yunqiu.Electromagnetic Field Within the Motor[M]. 2nd ed. Beijing：Science Press，1998(in Chinese).

［12］楊世銘，陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2003.

Yang Shiming，Tao Wenquan.Heat Transfer[M].Beijing：Higher Education Press，2003(in Chinese).

［13］王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2004.

Wang Fujun.Computational Fluid Dynamics[M]. Beijing：Tsinghua University Press，2004(in Chinese).

［14］Yi S I，Shin J K，Park G J. Comparison of MDO methods with mathematical examples[J].Structural and Multidisciplinary Optimization，2008，35(5)：391-402.

［15］Hong U P，Hwang K H，Park G J. A comparative study of software systems from the optimization viewpoint[J].Structural and Multidisciplinary Optimization，2004，27(6)：460-468.

Integrated Optimization Design of Hydro Generator Based on Multi-Physics Field

ZHU Dian-hua，GUO Wei
(School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

As a representative complex product, a number of coupling relationships exist among hydro generator’s electromagnetic field (EMF), flow field and temperature field when it works. In this paper, these complicated coupling interactions were thoroughly analyzed and numerical analysis and calculations for EMF, solid-fluid thermally coupled fields were executed effectively. On this basis an integrated optimization model was formed through carrying out such disciplinary analysis as electromagnetic design, ventilation and cooling design sequentially and then identifying interdisciplinary coupling parameters. In the end MDF formulation was adopted to get optimized parameter values to formulate a new design. This new design is tested by numerical simulations. This practice is a good approach for realizing a good comprehensive design of hydro generator and other complex products.

hydro generator；coupling；integrated optimization；automation

TH122

A

0493-2137(2011)03-0277-06

2009-12-02；

2010-07-05.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50875183).

朱殿華（1975— ），女，博士，講師，zdhme@126.com.

郭 偉，教授，wguo@tju.edu.cn.