粒子群算法在圆筒型直线感应电机优化设计中的应用

论文摘要

本文针对应用于高压断路器操动机构的圆筒型直线感应电机（C-LIM）进行了优化设计,目的在于满足高压断路器开断性能和机械性能要求的前提下,使C-LIM获得较大的起动推力,体积和重量尽可能缩小,提高和完善C-LIM操动机构的可靠性和实用性。针对以上问题,结合初始样机的动态特性测试,本文提出C-LIM的多目标优化设计,以C-LIM非磁性次级的电磁设计为基础,结合粒子群算法寻优机制,实现了以电机起动推力和体积为目标函数的多目标优化。本文首先阐述了电机优化设计的研究概况和发展趋势,介绍了直线电机的研究现状和圆筒型直线电机的原理。其次对圆筒型直线感应电机非磁性次级等值电路及参数进行了推算,同时测试了已有C-LIM样机空载动态特性。然后介绍了粒子群算法（PSO）的原理,并分析了标准粒子群算法的收敛性;对多目标优化方法进行了探讨。最后根据C-LIM应用于高压断路器操动机构的结构和性能要求,建立了基于粒子群算法的多目标优化设计数学模型;并采用MATLAB工程计算工具,编写了C-LIM多目标粒子群优化设计程序,同时还制作了可视化界面（GUI）。通过对优化结果分析,表明多目标优化设计明显好于单目标优化设计,同时,对优化后的电机进行了动态仿真。最终结果显示,优化后的电机比原始设计既增大了起动推力,又减小了机构的体积,其它一些参数也得到了相应的改善,说明粒子群优化算法结合多目标优化方法适用于直线感应电机优化设计。证实优化后的电机在结构和性能上都有了较大程度的提高,为C-LIM操动机构与断路器的完美结合提供了理论基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电机优化设计的研究概况和发展趋势
• 1.1.1 直线电机的研究现状
• 1.1.2 电机优化方法的发展
• 1.2 C-LIM 简介
• 1.3 本课题的提出与主要工作
• 第二章 C-LIM 的动态特性测试
• 2.1 C-LIM 的电磁计算
• 2.1.1 主要尺寸
• 2.1.2 电磁负荷的选取
• 2.1.3 等值电路及参数的推算
• 2.2 断路器操动机构反力特性分析
• 2.3 C-LIM 动态特性测试
• 2.4 小结
• 第三章 粒子群优化算法
• 3.1 粒子群算法基本原理
• 3.2 粒子群算法的改进
• 3.2.1.带惯性权重（inertia weight）粒子群算法
• 3.2.2 带收缩因子（constriction factor）的粒子群算法
• 3.3.3 其他改进的粒子群算法
• 3.3 标准粒子群算法收敛性分析
• 3.4 多目标优化方法
• 3.4.1 多目标优化的基本概念
• 3.4.2 多目标粒子群算法
• 3.5 小结
• 第四章 C-LIM 多目标优化设计的实现
• 4.1 优化设计思想和方法介绍
• 4.1.1 优化设计的概念和特点
• 4.1.2 优化设计的数学模型
• 4.1.3 电机优化设计的一般方法
• 4.2 多目标优化处理方法
• 4.3 C-LIM 多目标优化模型的建立
• 4.3.1 优化变量的选取
• 4.3.2 约束条件的选取
• 4.3.3 目标函数的选取
• 4.4 粒子群算法在C-LIM 优化设计中的具体实施
• 4.4.1 参数的选取
• 4.4.2 约束条件的处理
• 4.5 粒子群多目标优化的程序设计
• 4.5.1 面向对象的程序设计方法
• 4.5.2 GUIDE 集成开发环境
• 4.5.3 优化设计程序介绍
• 4.6 小结
• 第五章 优化结果分析
• 5.1 数值分析结果
• 5.2 C-LIM 动态仿真
• 5.3 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢