传统电机特点与未来发展的展望_开题报告

传统电机特点与未来发展的展望

 A. 文献综述

一、研究背景和意义

     电机的优化设计技术是电气工程领域中一个长盛不衰的研究热点。所谓电机优化设计,是指在满足国家标准、用户要求以及特定约束的条件下,使电机效率、体积、功率、重量等设计性能指标达到最优的一-种设计技术。它可以被描述为一个有约束、多目标、多变量以及多峰值的复杂非线性问题。 从早期凭经验判断到用古典极值理论和传统随机算法寻优，再到目前广泛使用的通过数学建模用全局优化理论求得最优设计,电机优化设计取得了丰硕的成果。本文在分析大量文献的基础上,阐述了国内在电机传统优化设计的特点及几种主要的新型优化算法及其在电机设计中的应用, ,电机优化设计技术的未来走向等,以利于促进电机设计的进一步发展。

关键词：电机设计：优化算法

二、国内研究现状

1传统电机优化设计方法简述

      电机传统优化设计是建立在古典极值理论和传统随机算法基础上的优化设计方法,主要有直接搜索法和随机搜索法两种寻优模式。其中应用较为广泛的寻优策略有Powell 法、单纯形法、可变容差法和梯度法等。利用这些算法,电机设计曾取得了一定的成果,但也暴露出传统优化算法本身一系列难以克服的问题。其中比较突出的问题是:此类算法收敛速度虽然很快,但由于寻优过程受初始解的制约太大,优化结果常常收敛于初始解附近的局部最优点,全局寻优能力较差;且此类算法在建模和求解中忽略的因素太多,使得算法难于求解复杂的工程实际问题。上述缺陷使电机传统优化设计的应用受到了极大的限制。

2近年的新型电机优化

2.1结构表达编码及永磁同步电机永磁体优化

在永磁同步电机的优化设计中，如何通过优化转子永磁体的结构和参数使气隙磁密波形呈正弦波是一个难点。现有的方法只对固定结构的转子永磁体或几个固定结构转子永磁体下的参数进行优化，不能同时对结构和参数进行优化。种结构表达编码方法，它可以同时对结构和参数进行编码，实现了真正意义上的结构方案与参数的同时优化。该方法将永磁同步电机转子永磁体的结构和参数编码为固定长度的非线性字符串(符号和变量)。不同的字符串可以解码为不同的结构表达树，每一个结构表达树都对应-种转子永磁体的结构和参数以产生正弦波的气隙磁密波形为目标，通过对永磁同步电机的转子永磁体的结构和参数同时进行编码，结合遗传算子和演化框架，利用MATLAB与ANSYS联合编程对永磁同步电机的转子永磁体进行了优化设计。结果表明，优化设计得出的转子永磁体结构产生了近似正弦波的气隙磁密波形，其正弦度达到了99.78%。

2.2线圈辅助励磁无刷直流电机优化设计

线圈辅助励磁无刷直流电机(Coil-Assisted Excitation Brushless DC Motor

CAE-BLDCM)作为一种新型的磁阻电机，用辅助励磁线圈替代永磁材料,因此具有结构简单、制造成本低、运行可靠性高、调速范围宽、可控参数多的特点，已被应用于航空发电机、电动汽车驱动、矿山机械、伺服系统等领域。但对于CAE-BLDCM输出转矩脉动大，振动噪声突出问题的研究主要集中于控制策略改进和优化方面，对电机本体设计和优化的研究相对较少。以电机新型拓扑结构为研究对象，对本体进行设计和优化。具体工作如下:

(1)通过分析国内外的电励磁双凸极电机研究现状，从电机的磁通路径及结构特点入手，分析CAE-BLDCM的工作原理及与其它电励磁双凸极电机的不同点，推导电机电动/发电数学模型。

(2)通过类比国内外双凸极电机设计方法并结合电机特殊结构,设计一台电机，并运用有限元法对电机静态特性进行研究，分析所设计方案的合理性;紧接着根据电磁转矩特性、磁共能的变化规律，对电机电枢绕组和励磁辅助绕组的匹配问题进行研究;分析不同励磁情况时电机输出性能，确定两类绕组电流比例。

(3)针对CAE-BLDCM定转子极数组合方案、磁场分布的特殊性。分析不同极弧

范围矩角特性变化规律，不同铁心长度时气隙磁密、绕组电流、输出功率变化情况，不同气隙下电机的转矩特性，确定电机结构参数灵敏度;在此基础上，为进一步提升电机转矩密度对电机进行优化设计，并分析所得结果，验证所设计电机的可行性。

2.3离网型永磁同步风力发电机设计与分析

随着人们意识到环境污染问题的严重性,对新能源的开发与利用获得了越来越多的重视。离网型风力发电是新能源中的一个重要组成部分,离网型小功率永磁同步风力发电机在道路路灯、电动渔船、偏远海岛供电等方面都能得到广泛应用。针对离网型永磁同步风力发电机的本体设计问题开展了深入的研究,并完成样机加工与部分实验测试。首先,介绍了永磁同步风力发电机的基本特点与结构分类。推导出永磁发电机的等效磁路模型以及对发电机的一些参数计算和运行特性进行简单介绍,为接下来的发电机设计奠定了理论基础。其次,分析了离网型永磁同步风力发电机的运行特点及设计要求,采用场路耦合的方法设计出一台额定功率300W的离网型永磁同步风力发电机。利用基于磁路法的电机电磁设计软件ANSYS-RMxprt进行反复核算,确定发电机电磁参数。在ANSYS Maxwell中建立发电机有限元模型,对发电机的静态特性和瞬态特性进行分析,同时基于仿真分析出的发电机各部分损耗,对发电机效率性能进行验算,通过以上分析表明电机设计的合理性与有效性。为使发电机在较低风速下能良好地起动发电,对发电机的起动阻力矩进行优化设计。将电枢参数和磁极参数优化相结合对发电机的齿槽转矩进行优化设计,通过研究发电机不同参数对齿槽转矩的影响,构建出发电机优化响应面模型,在MATLAB中编写带压缩因子的粒子群算法进行寻优得到最优参数组合,对优化后发电机进行有限元分析,与优化前相比,齿槽转矩大为减小,达到优化目的。然后,在传热学理论基础上,以电磁场分析中得到的发电机损耗为基础,利用有限元软件ANSYS Maxwell与ANSYS Workbench进行磁热耦合分析,从而得到了发电机在静态时的温度分布,通过对电机运行过程中温度分布规律的分析,验证了发电机设计的合理性。

2.4永磁体助磁的单相双凸极电机优化设计

针对永磁体助磁的单相双凸极电机的优化设计问题开展了研究,推导出电机理想运行工况下的基本方程,并结合开关磁阻电机的设计原则总结出该电机的设计步骤。文中采用锥形气隙实现电机的自起动,然后利用总结的设计步骤设计了一台额定功率45 W,额定转速2 000 r·min-1的永磁体助磁的单相双凸极电机。通过仿真计算电机主要结构参数对效率和齿槽转矩的影响归纳出其规律性,为电机优化提供了参考。讨论了锥形气隙比率与电机起动能力的关系,并利用田口实验设计方法对电机进行了优化。优化后电机效率为89.86%,相比优化前提高了4.46%,验证了电机设计及优化的有效性。 

2.5偏心磁极永磁电机气隙磁场正弦优化模型

为优化气隙磁场,使径向气隙磁通密度波形接近正弦,以得到较小的气隙磁场径向电磁力谐波和较低的转矩脉动,优化电机的整体性能,用卡特系数Kδ修正电机受定子槽开口影响的有效气隙长度,考虑实际的永磁体相对磁导率对气隙磁通密度的影响,结合气隙磁通密度函数和永磁体磁化方向厚度函数及定转子磁动势计算方程,推导出弧形偏心磁极平行充磁时负载条件下的径向气隙磁通密度计算公式,得到了偏心磁极永磁电机径向气隙磁通密度总谐波畸变率(THD)随偏心距和极弧系数的变化曲线,进而可得到使径向气隙磁通密度THD最小的偏心距和极弧系数;利用有限元和样机试验,验证解析模型的有效性和准确性。此解析模型将多种影响径向气隙磁通密度正弦度和幅值的因素同时考虑在内,不用对永磁体进行径向分段来考虑不等厚磁极对气隙磁场的影响,计算较子域法简单且省时,同时保持较高的计算精度,为表贴式永磁电机优化设计提供参考

2.6混合动力电动汽车磁通切换永磁电机优化设计

对插入式混合动力电动汽车的磁通切换永磁电机进行了优化对比研究,在满足2010丰田普锐斯混合动力汽车驱动电机最低性能指标要求下,得到了12个定子极磁通切换电机的最优设计参数。首先,对4种具有不同结构转子的磁通切换永磁电机的性能进行了定性分析比较;其次,在对比丰田普锐斯混合电动汽车驱动电机的性能指标下,建立了这些磁通切换永磁电机的统一优化设计模型,并基于多层优化方法进行了优化和定量比较分析。结果表明,不同拓扑结构的磁通切换永磁电机具有不同的优化结构参数,在输出功率和效率方面,13个转子极的磁通切换永磁电机具有最佳性能。该方法可应用于高维结构参数下不同拓扑结构电机的定量比较优化研究。 

三、国外研究现状

3国外近年的新型电机优化

3.1 Automatic Winding Machine for Repairing of Wells with Electric Centrifugal Pumps（电动离心泵修井自动绕线机）

讨论了在合资公司Bashneft的地下井下作业和油井大修时，ECP电缆自动绕线机的现场测试结果。在对配有ECP离心泵装置的油井进行大修或地下维修时，将KRBK电缆通过专用夹具安装到管体上的过程增加了。该过程需要停止降低管柱的过程。因此，在将管柱放低到井中的过程中，必须使这些机构同步运行：电缆进给（KRBK自动缠绕机）和NK管的移动机构。考虑到安全性和...的要求在地下井下作业和油井大修时，必须保证KRBK电缆的完整性和可维护性，必须平稳停止和启动自动绕线机，以及KRBK自动绕线机的同步运行以及提升和降低油管柱的系统。突然停止和启动自动绕线机会导致电缆的张力和过电压，这是不可接受的，并且可能导致电缆整体损坏（断裂，绝缘破坏，完整性）。为了启动和停止电缆鼓（7-8吨），必须满足以下条件：足够大的电动机功率；变速箱。而且，未扭曲的电缆卷筒的惯性矩足够长，这是变速箱，电动机和皮带驱动器故障的原因。考虑到上述情况，本文提出了自动绕线机的运动学，该绕线机已经通过了现场测试，可以平稳，同步地进行操作，并且消除了KRBK电缆的损坏，并优化了自动绕线机的维护和修理费用绕线机。

3.2Hemispheric lateralization does not affect the cognitive and mechanical cost of a sequential motor task.（半球偏侧化不会影响顺序运动任务的认知和机械成本。）

在连续的重复性任务中，我们经常部分重用以前的运动计划。这会导致较早采用的姿势（称为运动磁滞）持续存在。成本优化假说指出，部分重复使用会降低运动的认知成本，而持续保持以前的姿势会增加其机械成本。最佳的重用部分取决于相对的认知和机械成本，从而使总移动成本最小化。几项研究假设由于半球偏侧化而导致的机械或认知成本差异。在当前的研究中，我们问这些差异是否会导致运动计划重用的不同部分。为此，惯用左手和惯用左手的参与者用惯用和惯用的手执行顺序的运动任务（打开一列抽屉）。测量了电机磁滞效应的大小，以替代计划重复使用的部分。参与者使用相似的姿势并表现出相似的滞后效果，而与手和惯性无关。这一发现表明，一项运动任务的认知和机械成本不受半球差异的影响，或者它们对运动计划的影响可以忽略不计。

3.3Machine learning for predictive electrical performance using OCD（使用OCD进行机器学习以预测电性能）

随着工艺复杂度的增加和工艺步骤数量的增加，器件性能的早期预测已成为半导体制造工艺控制中的重要任务。机器学习（ML）技术使我们能够将在线测量与线下（EOL）电气测试相链接。在我们的^范文中，我们使用从散射测量工具获得的反射光谱来预测金属线的电阻和电容。我们在M1阶段使用IMEC N14工艺流程和LELE双重图案。针对多个参数的特殊实验设计（DOE）使我们能够为整个过程窗口创建度量衡解决方案，并测试所有POI的准确性。线性CD和空间CD的诱发变化，以及经过特殊设计的测量位置，产生了广泛的金属线电阻和电容的变化。在两个定义金属线的工艺步骤中在线收集反射光谱：在多个目标（包括E测试测量位置）处的HM蚀刻和Cu CMP，以及覆盖层（OV）和CD的参考计量学（通过使用基于衍射的覆盖层） （DBO）和CD SEM）。EOL电测试结果用于ML培训程序，用于早期预测图案化效果（CD和OL）对电性能的影响，从而可以通过在达到电测试之前丢弃不合格的晶圆来进行早期决策并降低成本。结果表明，ML OCD预测技术是对基于OCD模型的，广泛用于在线APC的几何参数的解决方案的补充。

3.4Quality control automation of electric cables using machine vision（使用机器视觉对电缆进行质量控制自动化）

介绍了使用机器视觉来自动化电线和电缆的质量控制（QC）的主题。质量控制包括测量用于电缆构造的电线的选定参数，即电线的直径，压接部分的长度以及被测电缆的对准情况。而且，质量控制要求在隔离表面和导线表面都进行表面缺陷分析。本文详细介绍了所选电缆系列的图像采集，图像分析方法以及所选参数的测量。该项目的主要目的是构建用于控制电缆参数的自动化系统，该系统设计为可在频率为10Hz的工业条件下工作。

3.5Electrical test prediction using hybrid metrology and machine learning（使用混合计量和机器学习进行电气测试预测）

生产线后端（BEOL）的电气测试测量对于晶圆和裸片分选以及比较预期的工艺拆分至关重要。流程中的任何在线，非破坏性技术都可以准确地预测这些测量值，从而可以显着改善缺陷的平均检测时间（MTTD），并缩短良率和过程学习的周期时间。通常在BEOL金属化之后进行测量以进行过程控制和学习，尤其是使用散射测量（也称为OCD（光学临界尺寸）），它可以解决多个轮廓参数，例如金属线高度或侧壁角度，并且可以在图案化区域内进行。相对于基于在线显微镜的技术（该技术提供自上而下的信息），这使散射法具有优势，因为此类技术可以对隐藏在沟槽金属填充物下方的侧壁变化不敏感。但是，当与BEOL处理特有的电气测试测量相关时，两种技术都面临着采样的额外挑战。基于显微镜的技术因其较小的探头尺寸而受到采样限制，而传统上（针对微处理器）散射测量技术仅限于划定模仿设备接地规则但不一定设计为可电测试的目标。解决此采样难题的方法是基于快速的基于参考的机器学习功能，该功能允许直接对可电测结构进行OCD测量，即使它们不兼容OCD。通过合并此类直接的OCD测量值，可以关联，预测 BEOL电测试结构的电阻显着提高。证明了对多种类型的芯片内可电测试器件结构的预测能力的改进。为了进一步提高电阻测量的预测质量，使用了使用OCD测量以及X射线测量（XRF）的混合测量。混合计量是一种组合来自多个来源的信息以实现或改善对一个或多个关键参数的测量的实践。在此，XRF测量用于检测势垒层成分和厚度的细微变化，这些细微变化会对测试结构的电阻产生二级影响。通过借助基于X射线的测量来考虑此类影响，进一步提高了OCD与电气测试测量的相关性。使用两种类型的解决方案，在非OCD兼容的测试结构上结合基于快速参考的机器学习，以及通过将OCD与XRF技术相结合的混合计量，可以通过提高预测能力来实现BEOL循环时间学习的改进。

B. ^范文提纲格式

引言：传统电机特点与未来发展的展望

一、研究背景和意义

（一）电机设计 

（二）优化算法

二、国内研究现状

（一）传统电机优化设计方法简述

（二）结构表达编码及永磁同步电机永磁体优化

（三）线圈辅助励磁无刷直流电机优化设计

（四）离网型永磁同步风力发电机设计与分析

（五）永磁体助磁的单相双凸极电机优化设计

（六）偏心磁极永磁电机气隙磁场正弦优化模型

（七）混合动力电动汽车磁通切换永磁电机优化设计

三、国外研究现状新型电机优化

（一）Automatic Winding Machine for Repairing of Wells with Electric Centrifugal Pumps（电动离心泵修井自动绕线机）

（二）Hemispheric lateralization does not affect the cognitive and mechanical cost of a sequential motor task.（半球偏侧化不会影响顺序运动任务的认知和机械成本。）

（三）Machine learning for predictive electrical performance using OCD（使用OCD进行机器学习以预测电性能）

（四）Quality control automation of electric cables using machine vision（使用机器视觉对电缆进行质量控制自动化）

（五）Electrical test prediction using hybrid metrology and machine learning（使用混合计量和机器学习进行电气测试预测）

四、国内电机的优劣

（一）国内电机的优点

（二）国内电机的不足处

五、国内电机优化的展望

（一）国内外电机的优劣点

（二）目前国内电机的优化方向

C. 参考文献

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