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汽车用爪极发电机建模及优化技术研究

鲍晓华  
【摘要】: 汽车交流发电机的广泛应用,是现代汽车电器的重大突破。然而,现代汽车用交流发电机在实际使用时都存在着效率低的问题,一个典型的Lundell爪极式转子交流发电机的效率只有大约50%。本文通过对爪极发电机的三维有限元分析,找出了爪极发电机低效率的重要原因是其存在严重的漏磁现象。如何优化爪极发电机的结构参数以达到最小化爪极发电机的漏磁,是本文研究的出发点。 在爪极发电机结构参数优化过程中需要进行大规模的迭代计算,针对降低优化计算成本的问题,本文引入非参数建模的思想。在获得准确高效的非参数模型基础上,本文运用智能优化算法优化爪极发电机的主要结构参数,达到了最小化爪极发电机漏磁的目的。 本文主要研究电励磁爪极发电机和混合励磁爪极发电机的建模及结构参数优化问题。本论文工作主要包括以下几个方面: 1、在充分理解爪极发电机的爪极转子电气特点的基础上,依据同步电机的双反应理论,本文对爪极发电机进行了机理分析。爪极发电机的爪极转子结构导致了其电磁分析与传统同步发电机的差别,准确分析与计算爪极转子的设计数据是设计爪极发电机的基础,本文按照直接设计法对爪极发电机进行了设计分析。参数分析是分析电机的几何结构参数与电机性能的内在规律及其函数关系,为参数优化打下基础,本文对爪极发电机的主要结构参数进行了参数分析。 2、本文利用三维有限元方法分析和计算了电励磁爪极发电机和混合励磁爪极发电机的电磁性能。理论计算值与实测值在电励磁爪极发电机和混合励磁爪极发电机负载特性上的一致,有效地说明了本文三维有限元方法运用的合理性。为了解决建模时理论上需要进行的试验次数和实际上能完成的试验次数之间的矛盾,本文引入正交试验设计方法获得建模时所需要的样本数据,并利用统计学原理分析了所选参数的合理性。 3、本文分析了爪极发电机非参数建模的必要性及可能性。爪极发电机结构参数优化需要大规模迭代计算,提高计算效率就要求有高效的计算模型。针对神经网络和自适应模糊神经网络在爪极发电机非参数建模上的局限性,本文引入支持向量机,建立了基于支持向量机的爪极发电机非参数模型,为爪极发电机的结构参数优化提供了高效的计算手段。利用非参数统计的思想,本文对爪极发电机的支持向量机非参数模型进行了非参数检验。 4、爪极发电机的结构参数优化是一个复杂的多目标、多约束、非线性的混合多维空间优化问题,优化计算成本高,寻求高效可靠的优化算法对爪极发电机参数优化具有重要的意义。本文引入智能优化算法。即粒子群优化算法和基于混沌理论的优化算法优化爪极发电机的主要结构参数,在优化过程中以支持向量机模型为目标函数的计算手段,达到了最小化爪极发电机漏磁的目的。 5、在理论分析保证爪极发电机效率提高的基础上,利用自制的测量汽车发电机效率的试验台,本文对优化前后的爪极发电机样机进行了实验验证,同时与基于三维等效磁网络方法的优化前后爪极发电机计算效率进行了比较。通过额定转速下的优化前后发电机样机的效率比较验证了优化结果的合理性、有效性。


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