用于移動(dòng)式供電的永磁同步發(fā)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

曾繁琦,卜建國(guó),袁曉靜,王旭平,張 澤

(1.火箭軍工程大學(xué) 作戰(zhàn)保障學(xué)院， 西安 710025； 2.陸軍軍事交通學(xué)院 軍用車輛工程系， 天津 300161)

1 引言

軍事裝備移動(dòng)式發(fā)電車不僅是滿足武器裝備電力供應(yīng)的能量保障平臺(tái)，還是執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的軍用車輛裝備，逐漸成為各種武器裝備的最佳承載平臺(tái)和應(yīng)用載體。發(fā)電車以供電作為主要功能，其發(fā)電指標(biāo)的優(yōu)劣直接影響上裝武器裝備能否正常使用，對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)變化起了決定作用，供電系統(tǒng)發(fā)電指標(biāo)的提升已成為發(fā)揮武器裝備性能潛力的關(guān)鍵因素。發(fā)電指標(biāo)取決于電機(jī)的供電性能和電壓調(diào)節(jié)裝置的調(diào)壓能力，而電機(jī)的供電性能也會(huì)受到電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中結(jié)構(gòu)參數(shù)選取的影響，但完全依賴在電機(jī)上增加基于電力電子變換的電壓調(diào)節(jié)器的方法來(lái)改善整車的供電品質(zhì)會(huì)導(dǎo)致整車投入成本增加，而對(duì)于大功率電機(jī)甚至?xí)黾诱{(diào)壓裝置的負(fù)擔(dān)，同樣會(huì)增加控制成本。因此，開展電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究非常必要。

2 供電系統(tǒng)總體布置方案

軍事裝備移動(dòng)式供電系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)軍用車輛底盤系統(tǒng)開發(fā)而成，通過(guò)加裝電機(jī)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式供電功能，為車載武器裝備提供電力保障。軍事裝備移動(dòng)式發(fā)電車底盤布置方案如圖1所示，該方案采用電機(jī)直接與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連的方式，電機(jī)通過(guò)AC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/DC轉(zhuǎn)換器分別與高低壓負(fù)載以及蓄電池組相連，其優(yōu)點(diǎn)在于：

1) 系統(tǒng)繼承性好。在開發(fā)軍事裝備移動(dòng)式供電系統(tǒng)時(shí)應(yīng)盡量減少傳統(tǒng)軍用車輛底盤結(jié)構(gòu)變化，電機(jī)布置于發(fā)動(dòng)機(jī)離合器之間保持了原發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、驅(qū)動(dòng)后橋等結(jié)構(gòu)不變，對(duì)車輛改動(dòng)不大的情況下實(shí)現(xiàn)駐車發(fā)電功能，具有良好的繼承性。

2) 實(shí)現(xiàn)駐車發(fā)電功能。車輛處于停駛狀態(tài)時(shí)，供電系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行駐車發(fā)電，在軍隊(duì)作戰(zhàn)和演習(xí)時(shí)為作戰(zhàn)、通訊以及生活設(shè)施等裝備提供移動(dòng)式電力保障。

3) 發(fā)電效率高。電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸直接相連，二者之間無(wú)其他傳動(dòng)部件，降低了機(jī)械傳動(dòng)損耗，提高了發(fā)電效率。

4) 能夠?qū)崿F(xiàn)減重。電機(jī)直接替換原有飛輪，可以充分利用電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，達(dá)到減重的效果，且隨著車輛用電功率的增大，其優(yōu)勢(shì)會(huì)越來(lái)越明顯。

供電品質(zhì)是衡量電力供應(yīng)平臺(tái)優(yōu)劣的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，軍事裝備移動(dòng)式發(fā)電系統(tǒng)的供電品質(zhì)取決于電機(jī)的供電性能和整流器或逆變器的電壓調(diào)節(jié)能力，而電機(jī)的供電性能也會(huì)受到電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中結(jié)構(gòu)參數(shù)選取的影響。因此，從動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度出發(fā)對(duì)系統(tǒng)供電單元進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)可以改善系統(tǒng)的供電品質(zhì)，那么合理的電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于改善發(fā)電指標(biāo)就顯得尤為重要。

圖1 軍事裝備移動(dòng)式發(fā)電車總體布置方案示意圖Fig.1 The general layout scheme of military equipment mobile power generation vehicle

3 電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究現(xiàn)狀

電機(jī)設(shè)計(jì)需要確定一定數(shù)量的尺寸和材料參數(shù)，是一個(gè)多變量、多約束、非線性的多目標(biāo)數(shù)學(xué)問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了大量研究。

1) 基于磁路法的優(yōu)化方法

Bazghaleh等采用傳統(tǒng)的磁路法和有限元法對(duì)永磁電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-3]，但精度低、計(jì)算量大。因此，為了提高精度與減少計(jì)算量，逐漸形成采用有限元法與局部或全局優(yōu)化算法相結(jié)合的優(yōu)化方法替代傳統(tǒng)方法的研究趨勢(shì)。

2) 田口試驗(yàn)方法

Srikomkham等針對(duì)永磁分壓電容式單相感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)問(wèn)題提出了一種優(yōu)化方案，以起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)效率為優(yōu)化目標(biāo)，采用田口(Taguchi)試驗(yàn)方法與有限元相結(jié)合的方法進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并計(jì)算分析了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電機(jī)效率[4]。

胡巖等針對(duì)航空用高速永磁發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)問(wèn)題，以發(fā)電效率為優(yōu)化目標(biāo)，采用Taguchi法與有限元相結(jié)合的方法，得到滿足發(fā)電機(jī)性能的最佳設(shè)計(jì)組合參數(shù)[5]。

劉彥呈等以無(wú)人水下航行器推進(jìn)用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，采用有限元法確認(rèn)了各優(yōu)化參數(shù)及取值范圍，以效率、永磁體用量、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)Taguchi法對(duì)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出電機(jī)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案[6]。

Yang等采用結(jié)構(gòu)計(jì)算的方法對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以效率為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)Taguchi法對(duì)電機(jī)效率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)出更高效率的開關(guān)磁阻電機(jī)提供參考[7]。

Taguchi方法是日本著名統(tǒng)計(jì)學(xué)家田口玄一在研究2水平和3水平正交數(shù)組的基礎(chǔ)上得到的，通過(guò)建立正交試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得局部最優(yōu)解，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)。

3) 智能優(yōu)化算法

Sadeghi等針對(duì)傳統(tǒng)磁滯電機(jī)低效率、低功率因數(shù)的缺點(diǎn)，將無(wú)鐵芯雙圓盤結(jié)構(gòu)引入到電機(jī)設(shè)計(jì)中，初步提高了電機(jī)效率，采用遺傳算法解決了該新型磁滯電機(jī)的效率優(yōu)化問(wèn)題，輸出功率和效率的理論值與實(shí)測(cè)值吻合較好，驗(yàn)證了算法的有效性[8]。

石書琪等將遺傳算法應(yīng)用到雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)中，全局尋求電機(jī)的最優(yōu)成本[9]。

金亮等針對(duì)傳統(tǒng)優(yōu)化方法的不足，將遺傳算法同有限元相結(jié)合，以感應(yīng)電壓和磁通密度作為優(yōu)化目標(biāo)，完成永磁同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)化[10]。

Thejaswini等將遺傳算法應(yīng)用到風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，分析了不同工況下的電機(jī)性能，遺傳算法的應(yīng)用有助于選擇更好的發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)[11]。

Razik等介紹了一種利用輸出誤差辨識(shí)感應(yīng)電機(jī)參數(shù)的方法，證明了遺傳算法和擬牛頓法是識(shí)別感應(yīng)電機(jī)參數(shù)的有力工具，2種優(yōu)化算法對(duì)于線性和非線性模型均適用，驗(yàn)證了2種算法的有效性[12]。

郎旭初等在采用等效磁路的方法對(duì)汽車用永磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，以電機(jī)效率為優(yōu)化目標(biāo)，運(yùn)用擬牛頓法和模式搜索法對(duì)電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了發(fā)電機(jī)優(yōu)化變量和性能參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果[13]。

遺傳算法、擬牛頓法和模式搜索法已經(jīng)是應(yīng)用比較成熟的優(yōu)化算法，遺傳算法能有效地避免優(yōu)化過(guò)程陷入局部最優(yōu)，搜尋到全局最優(yōu)解，但它仍然具有收斂速度較慢、后期優(yōu)化效率較低等缺點(diǎn)；擬牛頓法迭代次數(shù)較多、計(jì)算量較大；而模式搜索法對(duì)起始點(diǎn)比較敏感，對(duì)于某些起始點(diǎn)只能得到局部最優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)與電機(jī)優(yōu)化相結(jié)合的貪心算法、爬山算法等優(yōu)化算法也容易使得優(yōu)化過(guò)程陷入局部最優(yōu)解。

4) 解析優(yōu)化方法

Shiri等采用解析優(yōu)化方法對(duì)普通復(fù)合次級(jí)直線電機(jī)的初級(jí)和次級(jí)同時(shí)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得電機(jī)質(zhì)量及其性能均達(dá)到比較滿意的結(jié)果[14]，但對(duì)于有些復(fù)雜的非線性優(yōu)化問(wèn)題，解析優(yōu)化方法是不適用的。

5) 基于代理模型的優(yōu)化方法

近年來(lái)，基于代理模型的多目標(biāo)優(yōu)化方法被引入到電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，從而提高了優(yōu)化效率，已經(jīng)有研究學(xué)者通過(guò)大量的仿真試驗(yàn)和實(shí)際電磁設(shè)計(jì)對(duì)其可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。Zhang等將Kriging代理模型引入到多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，Kriging方法擬合得到的代理模型具有全局和局部的統(tǒng)計(jì)特性，擬合精度較高[15-17]，從而使得多目標(biāo)優(yōu)化方法得到進(jìn)一步發(fā)展，即代理模型與隨機(jī)優(yōu)化算法相結(jié)合成為近年來(lái)電機(jī)優(yōu)化問(wèn)題研究的新趨勢(shì)。

Zhang等將優(yōu)化拉丁超立方設(shè)計(jì)方法引入到Kriging模型和傳統(tǒng)遺傳算法相結(jié)合的優(yōu)化算法中，以減小永磁直線同步電機(jī)的邊端定位力為目標(biāo)，對(duì)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了良好的優(yōu)化效果[15]。

Kim等采用基于傳統(tǒng)拉丁超立方設(shè)計(jì)方法的Kriging模型和傳統(tǒng)遺傳算法得到了內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的最佳形狀，在減小齒槽轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了寬轉(zhuǎn)速范圍[16]。

湯春球等均采用了傳統(tǒng)拉丁超立方設(shè)計(jì)方法、Kriging模型以及全局優(yōu)化算法相結(jié)合的優(yōu)化方式，被優(yōu)化對(duì)象的性能較優(yōu)化前顯著提高，驗(yàn)證了所提出的性能優(yōu)化方法是有效的[18-19]。上述研究雖然得到了令人滿意的優(yōu)化結(jié)果，但是由于一些傳統(tǒng)方法的局限性，優(yōu)化過(guò)程不能快速高效的進(jìn)行，因此優(yōu)化方法仍有待進(jìn)一步改進(jìn)。

綜上所述，傳統(tǒng)的電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法存在一定不足，且優(yōu)化過(guò)程中未考慮對(duì)發(fā)電指標(biāo)的優(yōu)化，優(yōu)化方法與發(fā)電性能仍具有改進(jìn)空間。

4 電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真研究

4.1 電機(jī)模型的建立

本文研究的永磁同步發(fā)電機(jī)截面示意圖如圖2。由于徑向結(jié)構(gòu)在性能方面要優(yōu)于切向結(jié)構(gòu)，因此選擇內(nèi)轉(zhuǎn)子內(nèi)置式徑向磁路結(jié)構(gòu)作為電機(jī)結(jié)構(gòu)，并且為了減少電機(jī)雜散損耗，定子繞組形式采用分布式單層短節(jié)距的星形接法。

圖2 電機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structural diagram of whole generator

電機(jī)的1/12結(jié)構(gòu)如圖3所示，選取的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)分別為槽口寬度bs0、氣隙長(zhǎng)度δ、永磁體厚度hm、永磁體寬度bm、磁橋?qū)挾萣b、永磁體間距br和軸向長(zhǎng)度L。

圖3 電機(jī)1/12結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The structural diagram of one-twelfth generator

選取的電機(jī)性能參數(shù)分別為電壓調(diào)整率ΔU、空載電動(dòng)勢(shì)波形畸變率kU和電機(jī)效率η，作為電機(jī)的3個(gè)重要發(fā)電指標(biāo)參數(shù)，其大小直接影響著電機(jī)的發(fā)電性能。3個(gè)參數(shù)的表達(dá)式分別如式(1)、式(2)、式(3)所示。

(1)

式中：f為頻率；N為電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；K為繞組因數(shù)；Φ為每極空載氣隙磁通；KΦ為氣隙磁通波形系數(shù)；U為輸出電壓；UN為額定相電壓有效值。

電壓調(diào)整率是電機(jī)工作在發(fā)電模式時(shí)的重要性能指標(biāo)之一。在實(shí)際應(yīng)用中，過(guò)高的電壓調(diào)整率將對(duì)用電設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生較大影響，理想的情況是電壓調(diào)整率盡可能小，因此有必要選擇適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)參數(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行周密設(shè)計(jì)。電機(jī)制造成型后，永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)難以調(diào)節(jié)導(dǎo)致輸出電壓很難控制[20-21]，然而目前采用的調(diào)壓或穩(wěn)壓的方法是在電機(jī)上加裝電力電子變換調(diào)壓器，但這種方式存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)，特別是對(duì)于需要大范圍調(diào)壓的高功率電機(jī)，降低電機(jī)的電壓調(diào)整率可以減輕其電壓調(diào)節(jié)設(shè)備的負(fù)擔(dān)。因此，如何減小電壓調(diào)整率是電機(jī)設(shè)計(jì)的重要問(wèn)題之一。

(2)

式中：Uv為電壓中v次諧波的有效值；U1為電壓的基波有效值。

電壓波形畸變率決定了發(fā)電機(jī)供電品質(zhì)的優(yōu)劣，工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)波形正弦性具有嚴(yán)格要求。內(nèi)置式永磁同步發(fā)電機(jī)中，由于諧波的影響空載電動(dòng)勢(shì)波形也不完全呈現(xiàn)正弦性，這會(huì)影響輸出電壓的穩(wěn)定性。因此，很有必要減少電機(jī)空載電動(dòng)勢(shì)的諧波，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整電動(dòng)勢(shì)的波形[22-23]，以達(dá)到電壓波形正弦性變好的目的[24-25]。

(3)

式中：∑p為發(fā)電機(jī)總損耗；P為發(fā)電機(jī)輸出功率。

在永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)中電機(jī)性能的重要指標(biāo)包括輸出功率、效率和功率密度等，因此提高電機(jī)的效率以及增大輸出功率可以改善電機(jī)的性能。

根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)建立二維有限元模型，通過(guò)對(duì)電機(jī)進(jìn)行空載磁場(chǎng)分析，可以得到電機(jī)空載磁場(chǎng)分布，由此了解電機(jī)各部分磁場(chǎng)的飽和情況，并判斷磁路設(shè)計(jì)是否合理。本文設(shè)計(jì)的電機(jī)磁力線分布如圖4所示。

圖4 磁力線分布示意圖Fig.4 The distribution of magnetic field line

永磁體產(chǎn)生的磁通包括主磁通和漏磁通，主磁通通過(guò)定轉(zhuǎn)子之間的氣隙進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，漏磁通的磁感線通過(guò)漏磁路閉合，主磁路和漏磁路并聯(lián)形成每對(duì)磁極的磁路。從圖4磁力線分布圖可以看出漏磁通較小，因此從漏磁的角度看設(shè)計(jì)是滿足要求的。

4.2 代理模型方法研究

電機(jī)是一個(gè)多變量、非線性的物理模型，對(duì)原模型直接進(jìn)行優(yōu)化會(huì)降低優(yōu)化效率，因此，本文采用代理模型方法尋找電機(jī)的近似模型，為優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

代理模型方法是通過(guò)數(shù)學(xué)模型的方法逼近一組輸入變量與輸出變量的方法。20世紀(jì)70年代，L.A.Schmit等在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中首次采用代理模型的方法，提高了優(yōu)化算法的效率，使其在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用效果也逐漸凸顯，其具體流程如圖5所示。目前常用的代理模型方法包括多項(xiàng)式回歸模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[26-27]、Kriging模型等。

圖5 代理模型流程框圖Fig.5 The process of surrogate model

為了驗(yàn)證上述3種代理模型對(duì)非線性問(wèn)題的近似程度，本文從非線性函數(shù)式(4)中選取25個(gè)樣本點(diǎn)，分別采用多項(xiàng)式回歸模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、Kriging模型3種方法進(jìn)行擬合[28]，擬合曲線如圖6。

f(x)=3sin(2x)+2x2cos(5x+6)

(4)

圖6 不同代理模型方法的擬合曲線Fig.6 The fitting curves of different surrogate model methods

從圖6中可以看出，多項(xiàng)式回歸模型的擬合精度最差，無(wú)法跟蹤原函數(shù)；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的擬合精度比多項(xiàng)式回歸模型有所提高，但局部精度仍然不高；Kriging模型基本與原函數(shù)重合，擬合精度最高。因此，本文選取Kriging模型作為擬合代理模型的方法。

4.3 多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

以電壓調(diào)整率ΔU、空載電動(dòng)勢(shì)波形畸變率kU和電機(jī)效率η作為優(yōu)化目標(biāo)建立優(yōu)化模型：

(5)

式中：f(x)為目標(biāo)函數(shù)；x=[bs0,δ,hm,bm,bb,br,L]為優(yōu)化變量；xU和xL分別為優(yōu)化變量的最大值和最小值；Sf為槽滿率。

在運(yùn)用最大投影試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[29-30]進(jìn)行樣本數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，本文采用基于Kriging代理模型的NSGA-Ⅱ算法[29,31]對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。從如表1所示優(yōu)化結(jié)果的Pareto最優(yōu)解集中選取3組優(yōu)化方案。方案1側(cè)重優(yōu)化ΔU和η，方案2兼顧了3個(gè)目標(biāo)函數(shù)，方案3側(cè)重優(yōu)化kU。發(fā)電機(jī)不同的功率等級(jí)與相應(yīng)發(fā)電指標(biāo)類型對(duì)應(yīng)著不同的參數(shù)指標(biāo)，根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)電氣指標(biāo)要求與不同的優(yōu)化目的，可以制定不同的優(yōu)化策略，從而得到滿足供電需求的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。從表1可以看出，3組方案的目標(biāo)函數(shù)值均優(yōu)于初始方案，說(shuō)明了所提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是有效的。

5 最優(yōu)方案發(fā)電指標(biāo)評(píng)價(jià)

軍事裝備移動(dòng)式發(fā)電車從廣義上可以稱為陸用內(nèi)燃機(jī)移動(dòng)電站，則其電氣指標(biāo)就需要滿足移動(dòng)電站通用規(guī)范要求，而發(fā)電車的供電品質(zhì)又會(huì)受到電機(jī)供電性能的影響，因此本文擬參考《GJB 235A—1997軍用交流移動(dòng)電站通用規(guī)范》中規(guī)定的電氣性能指標(biāo)對(duì)電機(jī)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的發(fā)電指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。該規(guī)范適用于0.5～500 kW的軍用移動(dòng)電站，對(duì)電站指標(biāo)類別、電壓調(diào)整率、電壓波形畸變率進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，其規(guī)定指標(biāo)如表2所示。

表1 優(yōu)化結(jié)果

表2 電氣規(guī)定指標(biāo)

從表1中初始方案的發(fā)電指標(biāo)與表2中電氣指標(biāo)對(duì)比可以看出，電機(jī)初始方案的電氣性能指標(biāo)不滿足移動(dòng)電站通用規(guī)范要求，說(shuō)明通過(guò)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)而優(yōu)化發(fā)電指標(biāo)是很有必要的；從表1中3組最優(yōu)方案發(fā)電指標(biāo)與表2中電氣指標(biāo)對(duì)比可以看出，在電機(jī)保持高效率的情況下，3組最優(yōu)方案的電氣指標(biāo)分別滿足了不同等級(jí)電站的要求。其中，方案3以犧牲掉一部分電壓調(diào)整率為代價(jià)，電壓波形畸變率達(dá)到了最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)；方案2滿足了Ⅳ類電站的標(biāo)準(zhǔn)，而方案1達(dá)到了Ⅰ類或者Ⅱ類電站的標(biāo)準(zhǔn)，電站指標(biāo)類別優(yōu)于其他2種方案。

綜上所述，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案可以滿足Ⅰ類電站要求，優(yōu)化效果明顯，在改善了電機(jī)供電性能的同時(shí)，也減輕了電壓調(diào)節(jié)設(shè)備以及整車系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，對(duì)整車發(fā)電指標(biāo)起到了優(yōu)化的作用，可以滿足對(duì)供電品質(zhì)要求更高的武器裝備等用電設(shè)備的用電需求，這對(duì)提升軍事裝備移動(dòng)式發(fā)電車供電品質(zhì)具有重要軍事意義。

6 結(jié)論

1) 提出了一種改進(jìn)的組合優(yōu)化策略優(yōu)化了電機(jī)發(fā)電指標(biāo)，從電機(jī)模型的空載磁場(chǎng)分析結(jié)果看出設(shè)計(jì)滿足要求；選取的Kriging代理模型對(duì)于解決非線性問(wèn)題具有較強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力，其擬合精度具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2) 采用基于Kriging代理模型的NSGA-Ⅱ多目標(biāo)優(yōu)化算法對(duì)電機(jī)性能指標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化算法準(zhǔn)確，軍事裝備移動(dòng)式發(fā)電車的發(fā)電品質(zhì)也得到了改善。

3) 最優(yōu)方案可以滿足Ⅰ類電站要求，對(duì)發(fā)電指標(biāo)起到了較好的優(yōu)化效果，可以滿足對(duì)供電品質(zhì)要求更高的武器裝備等用電設(shè)備的用電需求，對(duì)改善軍事裝備移動(dòng)式發(fā)電車供電品質(zhì)具有重要意義。

4) 本文提出的優(yōu)化組合策略可以大大降低電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的有限元計(jì)算成本，為更高功率等級(jí)的電機(jī)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，但要同時(shí)考慮實(shí)際制造工藝與使用情況。