电磁装置优化设计的应用分析

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1、-------1绪论1.1课题背景及来源麦克斯韦统一电磁场理论后，人类对电磁现象的理解进入了前所未有的高度，于是电磁装置如雨后春笋般走进了人们的生产和生活领域，因此电磁场计算便成为必需，也成为人们非常关心和重视的问题。但是由于电磁装置的形态结构和物质构成的复杂性、材料的导磁非线性等因素，使得电磁场计算相当困难，很难得到精确的解，于是在很长时间里工程上只能将场的问题简化为路的问题进行近似处理[1]。但是随着科技的发展，越来越多的电磁装置难以用路的观点描述，比如大型电机、变压器、开关的电磁操动机构等，因为其电磁场量的分布性已经很难用集总

2、参数构成的电路磁路方法去模拟，再比如带电粒子在场中的运动，也只有用场的观点来研究[2]。电子计算机的出现，给电磁场的数值计算带来了曙光。1970年，有限元方法就被用于求解电磁场，它能够解决复杂结构、复杂边界和非线性介质情况的边值问题，因此很快在电磁场数值计算领域受到瞩目[3]。1976年的第一届国际电磁场计算会议(COMPUMAG)标志着电磁场数值分析已成为一门新兴的学科。美国的ANSYS公司，作为全球最大的有限元分析软件公司，也推出了基于有限元的求解电磁场的专业软件，从而电磁场的数值计算不再是工程界的难题，于是人们把目光更多地投向

3、电磁装置的优化设计。单纯的电磁场计算属于电磁场正问题的范畴，根据电磁装置的结构、介质和源参数求解关心的电磁场的量以及电磁场作用而引起的系统特性（如静态特性和动态特性）[4]。而电磁装置的优化设计属于电磁场逆问题的范畴，所谓逆问题，是追根溯源的过程，根据要达到的电磁特性或系统特性求解装置的结构、介质和源参数等。显然，它是以正问题的求解为基础，因此逆问题的求解过程更加的复杂[4]。1991年在意大利举行的第八届国际电磁场计算(COMPUMAG)会议上，电磁场逆问题、耦合问题和并行计算被列为电磁场领域三个鼓励的研究问题。随着历届电磁场会议

4、的重点不断转向实际应用，求解电磁场逆问题的研究工作显得越来越重要。近十多年来由于计算机技术的迅猛发展，电磁场并行计算有些降温，但电磁场逆问题仍然是电磁场领域的研究热点[5]。随着现代工业的发展，对产品的优化设计要求越来越高，1-----------电磁装置也不例外，传统的基于路的优化设计已经不能满足要求，基于电磁场数值分析的优化设计已成为必然之路[6]。本课题来源于国家自然科学基金资助项目“电磁场逆问题的贝叶斯(Bayes)统计推断方法”，本文研究内容是其中的一部分。1.1课题意义与研究现状1.2.1课题意义电磁场的数值计算越来越受

5、到重视，不仅在传统的电机设计领域，而且各种新型的电磁装置的设计、电磁兼容问题、集成电路设计、雷达与隐身的问题、核磁诊断等等，都离不开场的计算[6]。可以说，场的计算是认识各种复杂电磁现象的几乎唯一的技术途经。于是，随之而来的电磁装置优化设计自然是工程界最关心的问题，它是以电磁场的数值计算为基础，但应用与需求显然更受关注的一类问题。它的对象可以是其中的一个器件，也可以是一个模块或者一个系统。设计对象的范围相当的广泛，如电气工程、电力系统中的发电机、电动机、超导磁储能系统、各种断路器和接触器；医用上的永磁体设备；军、民用的天线；电磁场应

6、用系统中的滤波器等等，因此关于电磁装置优化设计的应用研究很有实际的意义[5]。本文旨在探索电磁装置优化设计的一般解决方案，并以实例给予验证。其中既涉及了电磁装置静态特性与动态特性的优化，又探讨了单目标和多目标的优化。显然，电磁装置动态特性的优化有相当的难度，因为优化设计是以正问题为基础的，而电磁装置动态特性的求解也是很有难度的。本文通过对ANSYS的二次开发实现了动态特性的求解，并且在此基础作了优化设计，电动斥力机构优化问题的研究给予了验证。电磁装置多目标的优化也是一个比较棘手的问题，本文通过引入权衡方法、目标赋权方法和模糊逻辑方法

7、，成功解决了多目标的优化问题，螺线管多目标优化问题给予了验证。此外，本文探讨了神经网络统计近似模型在电磁装置的优化设计中的应用，发现不仅具有可行性而且实用价值很高。因此课题的意义在于通过探索电磁装置优化设计不同类型的问题，提出切实可行的解决方案，并且在比较各种方案的基础上，给予2-----------电磁装置优化设计的应用研究以一般性的指导。1.1研究现状针对电磁装置优化设计问题的求解方法，长期以来，人们主要集中于各种新型的优化算法的探索，代表性的有遗传算法[7]、模拟退火算法[8]、微分进化算法[9]等随机优化算法。这些随机优化方

8、法的确能够有效地解决电磁装置优化设计的问题，但不可回避的是这些直接的优化方法也有一个很大的不足，就是需要大量的电磁场的数值计算，即优化时采样数量庞大，而电磁场的数值计算往往非常地费时，这就大大降低了直接通过优化算法求解的时效性。近年来