電機優化設計及相關問題研究

李 鵬

（廣州數控設備有限公司，廣州 510530）

在工程技術與經濟管理以及理論研究等多種領域，電機優化都是經常出現的問題。目前，伴隨著現代控制理論以及計算機技術的全面可持續發展，最優化理論以及技術被廣泛應用，經濟與社會效益顯著。為此，深入研究并分析電機優化設計的相關問題具有一定的現實意義。

1 傳統的電機優化設計發展狀況研究

1.1 傳統優化設計的方法

在傳統電機優化設計中，通常選擇使用的優化算法是以設計變量可微性數值方法，具體表現在隨機搜索方法與直接搜索方法兩種。而最為經典的尋優策略是單純形法、梯度法與可變容差方法等，在電機新型產品優化設計中的應用較為普遍，并取得了理想的發展成績。在實際應用過程中，這種類型的算法，其收斂速度相對較快，但尋優的過程很容易受到初始解的約束。一般情況下，優化的結果會被收斂在初始解周邊局部位置的最優點范圍內，其全局尋優的能力受到影響。除此之外，這種類型的算法，在建模以及求解的過程中會忽視諸多因素，最終導致算法很難對復雜性較強的工程問題進行求解。

1.2 傳統的常見優化算法

在仔細觀察并模擬物理現象與社會現象的基礎上，研發出新型的全局優化算法，最常見的就是模擬退火算法與遺傳算法。較之于傳統的優化算法，可以突破局部極值點，而且計算量不大，可以搜索出最優解[1]。

第一，遺傳算法。該算法最基本的思想就是需借助編碼操作，保證問題空間能夠向編碼空間映射。在此基礎上，可以在編碼空間當中通過交叉、變異與選擇這三種不同的遺傳操作和循環迭代操作，對生物遺傳的金華機制予以模擬，以實現編碼空間最優解的有效搜索。在此基礎上，在逆映射的作用下向原問題空間完成映射，獲取原問題最優解。遺傳算法能夠高度并行且具有自適應性與隨機性，以及極強的全局搜索能力，但在局部搜索方面，能力則相對薄弱。

第二，模擬退火算法。該算法在組合優化問題方面具有一定的適用性，也屬于一種優化算法。將物理當中的固體物質退火過程作為最初的起始點，與普通組合優化問題十分相似。而且，模擬退火算法主要是在特定初溫條件下，在溫度參數下降的同時，與概率突跳的特性有效結合。這樣一來，在解空間內部即可隨機探尋目標函數最優解。也就是說，可以突破局部最優解概率性的約束，以實現全局優化目標。總體來講，這種算法具備良好的局部搜索能力，而且在搜索時，可以規避陷入局部最優解的情況。但是，該算法同樣存在不足之處，具體表現在很難全面且深入地了解并掌握搜索空間，要想保證搜索過程介入到希望值最高的搜索區域具有極大的難度，使得采樣的次數相對較多，需要更長的優化時間。

2 電機優化設計的最新發展

近年來，遺傳算法與模擬退火等新型的啟發式優化算法發展速度明顯加快，要想實現電機設計水平的全面提升，相關工作人員將重點放在新型最優化理論和電機設計技術有效融合與交叉方面，最終研發出能夠滿足全局最優需求的電機優化設計技術。

2.1 以遺傳算法為基礎的電機優化設計

眾所周知，遺傳算法是對生命演化進行模擬的仿生算法，對達爾文提出的優勝劣汰和適者生存原理予以有效模擬，通過算法的迭代，實現了重復執行選擇、雜交以及變異運算的目標，有效推動了種群的進一步優化，與某一優化目標也更加接近。這種電機優化設計屬于隨機搜索方式，最突出的特點表現在以下幾方面。

第一，實際操作對象屬于一組可行解，并非是單個的可行解。與此同時，搜索的軌道很多，并非是單條，所以并行性也十分理想[2]。

第二，僅借助目標取值的信息，并不需要價值較高的信息，所以，這種算法在任何函數優化方面都適用，其通用性顯著。

第三，該算法的擇優機制處于軟性選擇，因其并行性理想，所以，魯棒性與全局優化的性能也相對突出。

第四，應用于實際操作過程中的可行解集通常都是事先編碼，而且目標函數被解釋成編碼化個體適應值。由此可見，該算法操作簡單，而且具有極強的可操作性能[3]。

2.2 以電磁場逆問題為基礎的電機優化設計

在求解電磁場逆問題的過程中，一般會將正問題進行有效分解，并對優化算法進行合理地運用完成迭代求解任務，進而滿足優化設計目標。而電磁場正問題，指的是給定場計算區域與各區域材料組成以及特性，并對場域當中場量伴隨時間與空間的變化規律進行計算。在優化設計電機電磁場逆問題的過程中，應結合給定電機性能與電磁場的參數與特性，在特定約束條件下，對電機幾何結構參數、激勵參數以及材料性能參數等物理量進行優化求解。

較之單純使用優化算法設計電機，站在電磁場逆問題角度，對電機優化設計予以全面優化，并借助場的觀點對電機進行深入研究，對渦流效應與磁飽和等多種因素對于電機參數與性能產生的影響進行綜合考慮，以保證對電機電磁場的分布與電磁參數進行準確計算，確保優化設計結果最優。

研究電磁場逆問題，以實現對電機設計的全面優化，最重要的就是實現電機電磁場數值計算和優化算法的有機結合。其中，可以對電機電磁場基本控制方程進行運用，與邊界條件以及材料特性相結合，構建電機電磁場計算模型，通過數值解方法，對電機電磁場的分布與電磁參數等進行求解。在此基礎上，確定電機優化目標函數、約束條件以及優化變量，構建優化設計模型，借助優化算法，與電磁場數值計算結果結合并求解。

2.3 以蝶形直線超聲電機為例的定子優化

根據蝶形直線超聲電機定子工作的原理可以了解到，其電機定子主要是借助兩異形模態當作工作模態，所以，在實際優化過程中，最關鍵的是降低其頻率差距，確保能夠在相同驅動頻率的作用下，激發兩個工作模態。然而，為保證超聲電機的正常運行，還需保證定子兩相工作模態足夠小，同時使定子驅動足端面位移的振幅足夠大。由此可見，以上都是電機定子在設計過程中應滿足的目標。為此，在實際優化設計的過程中，應通過對試驗設計方法與響應面近似模型技術予以充分利用，以達到蝶形直線超聲電機定子設計得以優化。其中，最核心的理念是要保證定子結構參數的合理選擇，并將其當作設計變量，通過對試驗設計方法的運用，在變量空間中選擇樣本點，在與響應值相結合的基礎上，構建定子響應面的近似模型，借助優化算法即可實現尋優目的。

3 結語

綜上所述，根據電機優化技術的研究成果展開分析可以發現，優化技術被廣泛應用在電機設計領域中，只有保證合理的電機設計優化方法，才能取得理想的優化效果。所以，應針對原有的優化技術做出適當改進與創新，深入探究全新的尋優策略，進而為電機優化設計提供必要保障，確保其正常運行。

[1]陳齊平，舒紅宇，任凱，等.基于改進遺傳算法的微型電動車輪轂電機優化設計[J].中南大學學報（自然科學版），2012，43（8）：3013-3018.

[2]陳云云，全力，朱孝勇，等.雙凸極永磁雙轉子電機優化設計與電磁特性分析[J].中國電機工程學報，2014，（12）：1912-1921.

[3]陳云云，朱孝勇，全力，等.基于參數敏感度的雙凸極永磁型雙定子電機的優化設計和性能分析[J].電工技術學報，2017，32（8）：160-168.