基于遺傳算法的永磁屏蔽電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

周峰

摘 要：建立了永磁屏蔽電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，包括優(yōu)化設(shè)計(jì)變量、多目標(biāo)函數(shù)和約束條件。利用遺傳算法對一臺5.5kw的永磁屏蔽電機(jī)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了將遺傳算法應(yīng)用于永磁屏蔽電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的各個(gè)操作步驟，如編譯碼技術(shù)，遺傳操作和適應(yīng)度函數(shù)等，算法設(shè)計(jì)中采用權(quán)重系數(shù)法和法和罰函數(shù)法分別對多目標(biāo)問題和約束條件進(jìn)行了搜索控制，優(yōu)化結(jié)果表明在滿足各項(xiàng)性能要求和約束的前提下，降低了電機(jī)的成本，并且提高了電機(jī)的效率。

關(guān)鍵詞：遺傳算法；永磁屏蔽電機(jī)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引言

石化行業(yè)使用的永磁屏蔽電機(jī)具有效率高、反應(yīng)速度快以及低速大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)勢，大大拓寬了屏蔽泵的應(yīng)用前景。但由于電機(jī)在定子內(nèi)腔和轉(zhuǎn)子外表面各用一層非磁性不銹鋼薄套將定子和轉(zhuǎn)子部分屏蔽起來，而且它所使用的稀土永磁材料在電機(jī)成本中占有一定的比例[1]。因此從優(yōu)化設(shè)計(jì)角度研究一種既能滿足特殊工況要求，又能減小磁鋼用量的永磁屏蔽電機(jī)，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

永磁屏蔽電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件均為設(shè)計(jì)變量的非線性數(shù)值函數(shù)和多峰值函數(shù)，因此采用傳統(tǒng)的優(yōu)化方法很難從根本上解決電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的全局最優(yōu)解問題。遺傳算法[2]是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進(jìn)化過程而形成的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化概率搜索算法。該算法能較好地解決了控制參數(shù)的動態(tài)自適應(yīng)性及較優(yōu)值如何重復(fù)迭代等在優(yōu)化設(shè)計(jì)中影響收斂速度和最終優(yōu)化結(jié)果的問題。

文章將遺傳算法引入到永磁屏蔽電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，并結(jié)合永磁屏蔽電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對一臺5.5kW的永磁屏蔽電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了屏蔽泵的輸出性能。

2 永磁屏蔽電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

2.1 設(shè)計(jì)變量

然后再將這些新生成的子群體合并成一個(gè)完整的群體，在這個(gè)群體中進(jìn)行交叉和變異運(yùn)算，最終可求出多目標(biāo)優(yōu)化問題的Pareto最優(yōu)解。由于權(quán)重系數(shù)的隨機(jī)性，算法將得到多個(gè)不同權(quán)重系數(shù)下的優(yōu)良解，因此保證了群體中對應(yīng)搜索方向的多樣性和最終優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.4 約束條件的處理

永磁屏蔽電機(jī)的約束主要是不等式約束，但遺傳算法是無約束優(yōu)化方法，因此需要將有約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題。罰函數(shù)法是處理非線性約束優(yōu)化問題比較廣泛的一種方法，尤其是在對解空間中無對應(yīng)可行解的個(gè)體計(jì)算其適應(yīng)度時(shí)，可以降低該個(gè)體的適應(yīng)度，從而使該個(gè)體被遺傳到下一代群體中的概率減小。

5 結(jié)束語

文章應(yīng)用遺傳算法對永磁屏蔽電機(jī)的永磁體體積和電機(jī)效率兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到優(yōu)化后的具體結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)。

（1）與傳統(tǒng)算法相比，遺傳算法能同時(shí)搜索解空間中的許多點(diǎn)，且搜索過程是通過適應(yīng)度函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對群體中的個(gè)體進(jìn)行優(yōu)勝劣汰操作，因而能較大概率地獲取全局最優(yōu)解。

（2）針對多目標(biāo)工程優(yōu)化問題，文章采用統(tǒng)一目標(biāo)法中的線性加權(quán)和法和罰函數(shù)法對永磁屏蔽電機(jī)的多目標(biāo)問題進(jìn)行優(yōu)化，減少了永磁體用量，并且提高了電機(jī)效率。

參考文獻(xiàn)

[1]季建剛，孔繁余，孔祥花.屏蔽泵發(fā)展綜述[J].水泵技術(shù)，2006，1：15-20.Ji Jiangang，Kong Fanyu，Kong Xianghua. Development Survey of Shield Pump[J].Pump Technology，2006，1：15-20.

[2]王小平，曹立明. 遺傳算法-理論、應(yīng)用于軟件實(shí)現(xiàn)[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2002.Wang Xiaoping，Cao Liming.Genetic Algorithms-Theory and Application In The Software Implementatio[M].Xi An：Xi'An JiaoTong University Press，2002.

[3]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)-理論和設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997. Tang Renyuan.Modern Permanent Magnet Motor-Theory and Design[M].Beijing：China Machine Press，1977.

[4]傅豐禮，唐孝鎬. 異步電動機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002. Fu Fengli，Tang Xiaogao.Asynchronous Motor Design Manual[M].Beijing：China Machine Press，2002.

[5]邱克立. 釹鐵硼永磁同步電動機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 微特電機(jī)，1996，4：18-23. Qiu Keli.Research on NdFeB Permanent Magnent Synchronous Motors Optimization[J].Micro Motor，1996，4：18-23.

[6]龔純，王正林. MATLAB語言常用算法程序集[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008. Gong Chun，Wang Zhenglin.The commonly used assembly algorithm for Matlab Language[M].Beijing： Publishing House of Electronics Industry，2008.endprint

摘 要：建立了永磁屏蔽電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，包括優(yōu)化設(shè)計(jì)變量、多目標(biāo)函數(shù)和約束條件。利用遺傳算法對一臺5.5kw的永磁屏蔽電機(jī)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了將遺傳算法應(yīng)用于永磁屏蔽電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的各個(gè)操作步驟，如編譯碼技術(shù)，遺傳操作和適應(yīng)度函數(shù)等，算法設(shè)計(jì)中采用權(quán)重系數(shù)法和法和罰函數(shù)法分別對多目標(biāo)問題和約束條件進(jìn)行了搜索控制，優(yōu)化結(jié)果表明在滿足各項(xiàng)性能要求和約束的前提下，降低了電機(jī)的成本，并且提高了電機(jī)的效率。

關(guān)鍵詞：遺傳算法；永磁屏蔽電機(jī)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引言

石化行業(yè)使用的永磁屏蔽電機(jī)具有效率高、反應(yīng)速度快以及低速大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)勢，大大拓寬了屏蔽泵的應(yīng)用前景。但由于電機(jī)在定子內(nèi)腔和轉(zhuǎn)子外表面各用一層非磁性不銹鋼薄套將定子和轉(zhuǎn)子部分屏蔽起來，而且它所使用的稀土永磁材料在電機(jī)成本中占有一定的比例[1]。因此從優(yōu)化設(shè)計(jì)角度研究一種既能滿足特殊工況要求，又能減小磁鋼用量的永磁屏蔽電機(jī)，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

永磁屏蔽電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件均為設(shè)計(jì)變量的非線性數(shù)值函數(shù)和多峰值函數(shù)，因此采用傳統(tǒng)的優(yōu)化方法很難從根本上解決電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的全局最優(yōu)解問題。遺傳算法[2]是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進(jìn)化過程而形成的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化概率搜索算法。該算法能較好地解決了控制參數(shù)的動態(tài)自適應(yīng)性及較優(yōu)值如何重復(fù)迭代等在優(yōu)化設(shè)計(jì)中影響收斂速度和最終優(yōu)化結(jié)果的問題。

文章將遺傳算法引入到永磁屏蔽電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，并結(jié)合永磁屏蔽電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對一臺5.5kW的永磁屏蔽電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了屏蔽泵的輸出性能。

2 永磁屏蔽電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

2.1 設(shè)計(jì)變量

然后再將這些新生成的子群體合并成一個(gè)完整的群體，在這個(gè)群體中進(jìn)行交叉和變異運(yùn)算，最終可求出多目標(biāo)優(yōu)化問題的Pareto最優(yōu)解。由于權(quán)重系數(shù)的隨機(jī)性，算法將得到多個(gè)不同權(quán)重系數(shù)下的優(yōu)良解，因此保證了群體中對應(yīng)搜索方向的多樣性和最終優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.4 約束條件的處理

永磁屏蔽電機(jī)的約束主要是不等式約束，但遺傳算法是無約束優(yōu)化方法，因此需要將有約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題。罰函數(shù)法是處理非線性約束優(yōu)化問題比較廣泛的一種方法，尤其是在對解空間中無對應(yīng)可行解的個(gè)體計(jì)算其適應(yīng)度時(shí)，可以降低該個(gè)體的適應(yīng)度，從而使該個(gè)體被遺傳到下一代群體中的概率減小。

5 結(jié)束語

文章應(yīng)用遺傳算法對永磁屏蔽電機(jī)的永磁體體積和電機(jī)效率兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到優(yōu)化后的具體結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)。

（1）與傳統(tǒng)算法相比，遺傳算法能同時(shí)搜索解空間中的許多點(diǎn)，且搜索過程是通過適應(yīng)度函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對群體中的個(gè)體進(jìn)行優(yōu)勝劣汰操作，因而能較大概率地獲取全局最優(yōu)解。

（2）針對多目標(biāo)工程優(yōu)化問題，文章采用統(tǒng)一目標(biāo)法中的線性加權(quán)和法和罰函數(shù)法對永磁屏蔽電機(jī)的多目標(biāo)問題進(jìn)行優(yōu)化，減少了永磁體用量，并且提高了電機(jī)效率。

參考文獻(xiàn)

[1]季建剛，孔繁余，孔祥花.屏蔽泵發(fā)展綜述[J].水泵技術(shù)，2006，1：15-20.Ji Jiangang，Kong Fanyu，Kong Xianghua. Development Survey of Shield Pump[J].Pump Technology，2006，1：15-20.

[2]王小平，曹立明. 遺傳算法-理論、應(yīng)用于軟件實(shí)現(xiàn)[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2002.Wang Xiaoping，Cao Liming.Genetic Algorithms-Theory and Application In The Software Implementatio[M].Xi An：Xi'An JiaoTong University Press，2002.

[3]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)-理論和設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997. Tang Renyuan.Modern Permanent Magnet Motor-Theory and Design[M].Beijing：China Machine Press，1977.

[4]傅豐禮，唐孝鎬. 異步電動機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002. Fu Fengli，Tang Xiaogao.Asynchronous Motor Design Manual[M].Beijing：China Machine Press，2002.

[5]邱克立. 釹鐵硼永磁同步電動機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 微特電機(jī)，1996，4：18-23. Qiu Keli.Research on NdFeB Permanent Magnent Synchronous Motors Optimization[J].Micro Motor，1996，4：18-23.

[6]龔純，王正林. MATLAB語言常用算法程序集[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008. Gong Chun，Wang Zhenglin.The commonly used assembly algorithm for Matlab Language[M].Beijing： Publishing House of Electronics Industry，2008.endprint

摘 要：建立了永磁屏蔽電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，包括優(yōu)化設(shè)計(jì)變量、多目標(biāo)函數(shù)和約束條件。利用遺傳算法對一臺5.5kw的永磁屏蔽電機(jī)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了將遺傳算法應(yīng)用于永磁屏蔽電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的各個(gè)操作步驟，如編譯碼技術(shù)，遺傳操作和適應(yīng)度函數(shù)等，算法設(shè)計(jì)中采用權(quán)重系數(shù)法和法和罰函數(shù)法分別對多目標(biāo)問題和約束條件進(jìn)行了搜索控制，優(yōu)化結(jié)果表明在滿足各項(xiàng)性能要求和約束的前提下，降低了電機(jī)的成本，并且提高了電機(jī)的效率。

關(guān)鍵詞：遺傳算法；永磁屏蔽電機(jī)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 引言

石化行業(yè)使用的永磁屏蔽電機(jī)具有效率高、反應(yīng)速度快以及低速大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)勢，大大拓寬了屏蔽泵的應(yīng)用前景。但由于電機(jī)在定子內(nèi)腔和轉(zhuǎn)子外表面各用一層非磁性不銹鋼薄套將定子和轉(zhuǎn)子部分屏蔽起來，而且它所使用的稀土永磁材料在電機(jī)成本中占有一定的比例[1]。因此從優(yōu)化設(shè)計(jì)角度研究一種既能滿足特殊工況要求，又能減小磁鋼用量的永磁屏蔽電機(jī)，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

永磁屏蔽電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)和約束條件均為設(shè)計(jì)變量的非線性數(shù)值函數(shù)和多峰值函數(shù)，因此采用傳統(tǒng)的優(yōu)化方法很難從根本上解決電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的全局最優(yōu)解問題。遺傳算法[2]是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進(jìn)化過程而形成的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化概率搜索算法。該算法能較好地解決了控制參數(shù)的動態(tài)自適應(yīng)性及較優(yōu)值如何重復(fù)迭代等在優(yōu)化設(shè)計(jì)中影響收斂速度和最終優(yōu)化結(jié)果的問題。

文章將遺傳算法引入到永磁屏蔽電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域，并結(jié)合永磁屏蔽電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對一臺5.5kW的永磁屏蔽電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了屏蔽泵的輸出性能。

2 永磁屏蔽電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

2.1 設(shè)計(jì)變量

然后再將這些新生成的子群體合并成一個(gè)完整的群體，在這個(gè)群體中進(jìn)行交叉和變異運(yùn)算，最終可求出多目標(biāo)優(yōu)化問題的Pareto最優(yōu)解。由于權(quán)重系數(shù)的隨機(jī)性，算法將得到多個(gè)不同權(quán)重系數(shù)下的優(yōu)良解，因此保證了群體中對應(yīng)搜索方向的多樣性和最終優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.4 約束條件的處理

永磁屏蔽電機(jī)的約束主要是不等式約束，但遺傳算法是無約束優(yōu)化方法，因此需要將有約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束優(yōu)化問題。罰函數(shù)法是處理非線性約束優(yōu)化問題比較廣泛的一種方法，尤其是在對解空間中無對應(yīng)可行解的個(gè)體計(jì)算其適應(yīng)度時(shí)，可以降低該個(gè)體的適應(yīng)度，從而使該個(gè)體被遺傳到下一代群體中的概率減小。

5 結(jié)束語

文章應(yīng)用遺傳算法對永磁屏蔽電機(jī)的永磁體體積和電機(jī)效率兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到優(yōu)化后的具體結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)。

（1）與傳統(tǒng)算法相比，遺傳算法能同時(shí)搜索解空間中的許多點(diǎn)，且搜索過程是通過適應(yīng)度函數(shù)來實(shí)現(xiàn)對群體中的個(gè)體進(jìn)行優(yōu)勝劣汰操作，因而能較大概率地獲取全局最優(yōu)解。

（2）針對多目標(biāo)工程優(yōu)化問題，文章采用統(tǒng)一目標(biāo)法中的線性加權(quán)和法和罰函數(shù)法對永磁屏蔽電機(jī)的多目標(biāo)問題進(jìn)行優(yōu)化，減少了永磁體用量，并且提高了電機(jī)效率。

參考文獻(xiàn)

[1]季建剛，孔繁余，孔祥花.屏蔽泵發(fā)展綜述[J].水泵技術(shù)，2006，1：15-20.Ji Jiangang，Kong Fanyu，Kong Xianghua. Development Survey of Shield Pump[J].Pump Technology，2006，1：15-20.

[2]王小平，曹立明. 遺傳算法-理論、應(yīng)用于軟件實(shí)現(xiàn)[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2002.Wang Xiaoping，Cao Liming.Genetic Algorithms-Theory and Application In The Software Implementatio[M].Xi An：Xi'An JiaoTong University Press，2002.

[3]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)-理論和設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997. Tang Renyuan.Modern Permanent Magnet Motor-Theory and Design[M].Beijing：China Machine Press，1977.

[4]傅豐禮，唐孝鎬. 異步電動機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002. Fu Fengli，Tang Xiaogao.Asynchronous Motor Design Manual[M].Beijing：China Machine Press，2002.

[5]邱克立. 釹鐵硼永磁同步電動機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 微特電機(jī)，1996，4：18-23. Qiu Keli.Research on NdFeB Permanent Magnent Synchronous Motors Optimization[J].Micro Motor，1996，4：18-23.

[6]龔純，王正林. MATLAB語言常用算法程序集[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008. Gong Chun，Wang Zhenglin.The commonly used assembly algorithm for Matlab Language[M].Beijing： Publishing House of Electronics Industry，2008.endprint