非晶/纳米晶电机的多变量非线性强耦合优化设计方法

技术领域

本发明属于高性能电机领域，尤其涉及一种非晶/纳米晶电机的多变量非线性强耦合优化设计方法。

背景技术

非晶/纳米晶合金的磁滞伸缩系数是硅钢片的数倍，且非晶/纳米晶合金材料对应力敏感，为了保证磁性能，压紧力不宜过大，铁心叠压系数低，相对比较松散，因此，非晶/纳米晶合金电机的振动噪声较传统硅钢片电机大。此外，非晶/纳米晶合金电机绕组对脉宽调制变频供电时高次谐波电流的过滤能力弱于硅钢片电机，在周期性过载和宽频调速时，其时间谐波和空间谐波引起的损耗明显增加，复杂工况下非晶/纳米晶电机的低损耗优势将被削弱。高性能非晶/纳米晶合金电机需同时具备高过载能力、宽调速能力、高效轻量化和安全舒适性，涉及多个设计变量，优化变量间为强耦合关系，优化目标与约束条件具有高度非线性，且需考虑不同工况下非晶/纳米晶合金电机性能的适用性。因此，非晶/纳米晶合金电机的设计具有强耦合、多约束和非线性时变特征，运行工况复杂同时物理环境多变，其内部电磁、应力和温度等物理因素交互作用形成的耦合效应突出，增加了非晶/纳米晶合金电机优化设计的复杂度和难度，亟需探究高性能非晶合金电机的多变量非线性强耦合振动和损耗抑制方法。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种非晶/纳米晶电机的多变量非线性强耦合优化设计方法，用于研制新一代高性能非晶/纳米晶合金电机样机。

为达上述目的，本发明第一方面提出了一种非晶/纳米晶电机的多变量非线性强耦合优化设计方法，包括以下步骤：

对非晶/纳米晶电机内的多种设计参数开展灵敏度分析，并结合层次分析法和熵权法确定优化目标和约束条件，根据所述优化目标和约束条件建立所述非晶/纳米晶合金电机的多目标优化模型；

采用改进的量子遗传算法对所述非晶/纳米晶合金电机的多目标优化模型求解，根据不同工况选择优化设计参数，将优化结果聚类为结构方案、电气方案和材料方案；

将所述结构方案、电气方案和材料方案组合实施，并校核不同工况时的控振降损效果，根据所述控振降损效果确定新一代高性能非晶/纳米晶合金电机样机。

可选的，所述对非晶/纳米晶电机内的多种设计参数开展灵敏度分析，并结合层次分析法和熵权法确定优化目标和约束条件，根据所述优化目标和约束条件建立所述非晶/纳米晶合金电机的多目标优化模型，包括：

在不同工况下对所述非晶/纳米晶合金电机的多种设计参数开展灵敏度分析，选取敏感参数作为振动和损耗抑制的初选设计变量，确定所述非晶/纳米晶合金电机振动和损耗抑制的主要设计目标和辅助设计目标，将所述初选设计变量分类为结构参数、电磁参数和材料参数，建立决策分析层次结构；

基于层次分析法的主观决策和基于熵权法的客观分析，对所述初选设计变量进行组合赋权，获得所述初选设计变量的影响权重排序，根据所述影响权重排序定量终选出设计变量；

确定所述设计变量的约束条件以及非晶/纳米晶合金电机的振动、损耗、体积和质量优化目标，建立高性能非晶/纳米晶合金电机的多目标优化模型。

可选的，所述改进的量子遗传算法，包括：

利用量子态的叠加、纠缠和干涉特性，将量子的态矢量引入遗传编码，使每一条染色体可以表达多个态的叠加，在所述非晶/纳米晶合金电机的设计参数的种群初始化过程中引入小生境协同进化方法，自适应调整交叉概率、变异概率及旋转角并改进量子旋转门。

可选的，所述将优化结果聚类为结构方案、电气方案和材料方案，包括：

设计优化结构，包括通过阻断涡流流通路径降低损耗，使结构受力更均匀以减少振动；

抑制谐波磁场，包括抑制谐波磁通以降低铁心磁饱和度并降低不平衡电磁激励；

采用新型互补材料，采用与非晶/纳米晶合金材料特性互补的高性能电磁超材料，以进一步降低振动和损耗。

本发明第二方面提出了一种非晶/纳米晶电机的多变量非线性强耦合优化设计装置，包括以下模块：

构建模块，用于对非晶/纳米晶电机内的多种设计参数开展灵敏度分析，并结合层次分析法和熵权法确定优化目标和约束条件，根据所述优化目标和约束条件建立所述非晶/纳米晶合金电机的多目标优化模型；

优化模块，用于采用改进的量子遗传算法对所述非晶/纳米晶合金电机的多目标优化模型求解，根据不同工况选择优化设计参数，将优化结果聚类为结构方案、电气方案和材料方案；

设计模块，用于将所述结构方案、电气方案和材料方案组合实施，并校核不同工况时的控振降损效果，根据所述控振降损效果确定新一代高性能非晶/纳米晶合金电机样机。

本申请第三方面提出一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上述第一方面中任一所述的方法。

本申请第四方面提出一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面中任一所述的方法。

本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

通过对非晶/纳米晶电机内设计参数灵敏度分析，结合层次分析法、熵权法以及量子遗传算法，对参数依次进行定性初选、定量终选与优化求解，最终得到最优解，以确定新一代高性能非晶/纳米晶合金电机样机，将机械、电气、控制、数学等多学科的基础理论融合，解决了由于运行工况复杂与物理环境多变造成的非晶/纳米晶合金电机优化设计的复杂度和难度，能有效实现多变量的协同优化设计，助力高性能非晶/纳米晶电机样机的研发。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例所提供的一种非晶/纳米晶电机的多变量非线性强耦合优化设计方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种模型建立示意图；

图3为本发明实施例所提供的一种优化求解示意图；

图4为本发明实施例所提供的一种非晶/纳米晶电机的多变量非线性强耦合优化设计装置的框图；

图5是一种电子设备的框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的非晶/纳米晶电机的多变量非线性强耦合优化设计方法。

图1为本发明实施例所提供的一种非晶/纳米晶电机的多变量非线性强耦合优化设计方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：

步骤101，对非晶/纳米晶电机内的多种设计参数开展灵敏度分析，并结合层次分析法和熵权法确定优化目标和约束条件，根据优化目标和约束条件建立非晶/纳米晶合金电机的多目标优化模型。

本申请实施例中，为了更好寻找全局最优解，可借助启发式算法开展优化设计，具体的步骤为：

在掌握非晶/纳米晶合金电机振动和损耗特性的基础上，为精简设计变量个数，在不同工况下对非晶/纳米晶合金电机的多种设计参数开展灵敏度分析，选取敏感参数作为振动和损耗抑制的初选设计变量，确定非晶/纳米晶合金电机振动和损耗抑制的主要设计目标和辅助设计目标，将初选设计变量分类为结构参数、电磁参数和材料参数，建立决策分析层次结构；

基于层次分析法的主观决策和基于熵权法的客观分析，对初选设计变量进行组合赋权，获得初选设计变量的影响权重排序，根据影响权重排序定量终选出设计变量；

确定设计变量的约束条件以及非晶/纳米晶合金电机的振动、损耗、体积和质量优化目标，建立高性能非晶/纳米晶合金电机的多目标优化模型。

其中，步骤101的过程分为定性初选与定量终选，即通过性质初选设计变量分类为结构参数、电磁参数和材料参数，通过影响权重排序定量终选出设计变量，具体过程如图2所示。

步骤102，采用改进的量子遗传算法对非晶/纳米晶合金电机的多目标优化模型求解，根据不同工况选择优化设计参数，将优化结果聚类为结构方案、电气方案和材料方案。

本申请实施例中，通过改进的量子遗传算法对多目标优化模型求解，以确定最优解，其中改进的量子遗传算法求解的过程为：

利用量子态的叠加、纠缠和干涉特性，将量子的态矢量引入遗传编码，使每一条染色体可以表达多个态的叠加，在非晶/纳米晶合金电机的设计参数的种群初始化过程中引入小生境协同进化方法，自适应调整交叉概率、变异概率及旋转角并改进量子旋转门。

需要说明的是，本申请实施例中，采用精英保留策略实现多目标的优化和更新，提高算法寻优效率和收敛速度，获取优化问题的Pareto解集，将优化结果聚类为结构方案、电磁方案和材料方案，并从以下振动和损耗抑制思路提出具体措施：

设计优化结构，包括通过阻断涡流流通路径降低损耗，使结构受力更均匀以减少振动；

抑制谐波磁场，包括抑制谐波磁通以降低铁心磁饱和度并降低不平衡电磁激励；

采用新型互补材料，采用与非晶/纳米晶合金材料特性互补的高性能电磁超材料，以进一步降低振动和损耗。

步骤103，将结构方案、电气方案和材料方案组合实施，并校核不同工况时的控振降损效果，根据控振降损效果确定新一代高性能非晶/纳米晶合金电机样机。

其中，在决定具体措施后，通过多种方案组合实施，并校核不同运行工况时控振降损的效果，最终确定新一代高性能非晶/纳米晶合金电机样机。

其中，步骤102与步骤103中对模型进行求解的过程如图3所示。

本发明实施例通过对非晶/纳米晶电机内设计参数灵敏度分析，结合层次分析法、熵权法以及量子遗传算法，对参数依次进行定性初选、定量终选与优化求解，最终得到最优解，以确定新一代高性能非晶/纳米晶合金电机样机，将机械、电气、控制、数学等多学科的基础理论融合，解决了由于运行工况复杂与物理环境多变造成的非晶/纳米晶合金电机优化设计的复杂度和难度，能有效实现多变量的协同优化设计，助力高性能非晶/纳米晶电机样机的研发。

图4为本发明实施例所提供的一种非晶/纳米晶电机的多变量非线性强耦合优化设计装置400的框图，包括构建模块410、优化模块420以及设计模块430。

构建模块410，用于对非晶/纳米晶电机内的多种设计参数开展灵敏度分析，并结合层次分析法和熵权法确定优化目标和约束条件，根据优化目标和约束条件建立非晶/纳米晶合金电机的多目标优化模型；

优化模块420，用于采用改进的量子遗传算法对非晶/纳米晶合金电机的多目标优化模型求解，根据不同工况选择优化设计参数，将优化结果聚类为结构方案、电气方案和材料方案；

设计模块430，用于将结构方案、电气方案和材料方案组合实施，并校核不同工况时的控振降损效果，根据控振降损效果确定新一代高性能非晶/纳米晶合金电机样机。

关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

图5示出了可以用来实施本公开的实施例的示例电子设备500的示意性框图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本公开的实现。

如图5所示，设备500包括计算单元501，其可以根据存储在只读存储器(ROM)502中的计算机程序或者从存储单元503加载到随机访问存储器(RAM)503中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 503中，还可存储设备500操作所需的各种程序和数据。计算单元501、ROM 502以及RAM 503通过总线504彼此相连。输入/输出(I/O)接口505也连接至总线504。

设备500中的多个部件连接至I/O接口505，包括：输入单元506，例如键盘、鼠标等；输出单元507，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元508，例如磁盘、光盘等；以及通信单元509，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元509允许设备500通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。

计算单元501可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。计算单元501的一些示例包括但不限于中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、各种专用的人工智能(AI)计算芯片、各种运行机器学习模型算法的计算单元、数字信号处理器(DSP)、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。计算单元501执行上文所描述的各个方法和处理，例如语音指令响应方法。例如，在一些实施例中，语音指令响应方法可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元508。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 502和/或通信单元509而被载入和/或安装到设备500上。当计算机程序加载到RAM 503并由计算单元501执行时，可以执行上文描述的语音指令响应方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，计算单元501可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行语音指令响应方法。

本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。

用于实施本公开的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

在本公开的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。

为了提供与用户的交互，可以在计算机上实施此处描述的系统和技术，该计算机具有：用于向用户显示信息的显示装置(例如，CRT(阴极射线管)或者LCD(液晶显示器)监视器)；以及键盘和指向装置(例如，鼠标或者轨迹球)，用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给计算机。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈)；并且可以用任何形式(包括声输入、语音输入或者、触觉输入)来接收来自用户的输入。

可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统(例如，作为数据服务器)、或者包括中间件部件的计算系统(例如，应用服务器)、或者包括前端部件的计算系统(例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互)、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信(例如，通信网络)来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网(LAN)、广域网(WAN)、互联网和区块链网络。

计算机系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与VPS服务("Virtual Private Server"，或简称"VPS")中，存在的管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。服务器也可以为分布式系统的服务器，或者是结合了区块链的服务器。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。