王 鼎, 謝順依, 連軍強(qiáng)

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基于混沌蟻群算法的魚(yú)雷集成電機(jī)推進(jìn)器電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

王 鼎, 謝順依, 連軍強(qiáng)

(海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

針對(duì)集成電機(jī)推進(jìn)器(IMP)一體化結(jié)構(gòu)要求電機(jī)功率密度大, 效率高的特點(diǎn), 采用將混沌優(yōu)化算法嵌入蟻群算法的混合智能優(yōu)化算法——混沌蟻群算法(CACA)對(duì)集成電機(jī)推進(jìn)器特種電機(jī)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化, 該方法充分利用以上2種優(yōu)化算法的優(yōu)點(diǎn), 即蟻群算法的高精度和混沌算法的快速性。優(yōu)化結(jié)果顯示, 優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案使電機(jī)效率提高了1.6%, 有效體積縮小了5.6%, 使電機(jī)能更好地適應(yīng)高啟動(dòng)場(chǎng)合要求, 優(yōu)化效果良好, 可為魚(yú)雷IMP特種電機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

電動(dòng)力魚(yú)雷; 集成電機(jī)推進(jìn)器; 混沌蟻群算法; 特種無(wú)刷直流電機(jī)

0 引言

傳統(tǒng)的魚(yú)雷電動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由1臺(tái)電機(jī)、1套連動(dòng)系統(tǒng)和1個(gè)推進(jìn)器組成[1]。從水下載體的觀點(diǎn)來(lái)看, 這種電機(jī)-推進(jìn)器裝置存在如下不足: 功率密度容量較低; 撓曲諧振引起離心方向振動(dòng)較大; 系統(tǒng)噪聲和振動(dòng)的控制能力低。

在當(dāng)今模塊化設(shè)計(jì)潮流下, 電動(dòng)力魚(yú)雷推進(jìn)技術(shù)得到了很大的發(fā)展。集成電機(jī)推進(jìn)器(in- tegrated motor propulsor, IMP)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了以上缺陷, 它是一種將永磁電機(jī)與泵噴推進(jìn)器合為一體的電機(jī)-推進(jìn)器組合系統(tǒng), 電機(jī)的轉(zhuǎn)子同時(shí)又是魚(yú)雷的螺旋槳,兩者共為一獨(dú)立單元, 如圖1所示。復(fù)雜的海洋環(huán)境對(duì)IMP的特種電機(jī)提出了十分苛刻的要求: 體積小、重量輕、效率高、動(dòng)態(tài)性能好、運(yùn)行可靠[2]。前4項(xiàng)要求是為提高魚(yú)雷航速, 因?yàn)槿绻吭龃箅姍C(jī)體積來(lái)增加輸出功率, 增大推進(jìn)力, 其相應(yīng)的配重浮力材料也要增加, 且整體結(jié)構(gòu)也要改變, 魚(yú)雷航速非但不會(huì)增加, 還有可能下降。動(dòng)態(tài)性能包含2個(gè)要求, 一是要承受高水壓, 解決好密封結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題; 二是動(dòng)態(tài)參數(shù)控制性能要好, 這樣就需要設(shè)計(jì)者找到一個(gè)最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。然而電機(jī)本體設(shè)計(jì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行最初設(shè)計(jì)固然重要, 但是找出一個(gè)最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案, 憑經(jīng)驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠, 這時(shí)就需要一種有效的優(yōu)化方法。

圖1 集成電機(jī)推進(jìn)器

本文把混沌蟻群算法(chaos ant colony algo- rithm, CACA)用于電動(dòng)力魚(yú)雷IMP特種電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì), 在提高電機(jī)啟動(dòng)性能、功率密度以及節(jié)省永磁材料方面取得了較好的優(yōu)化效果。

1 IMP構(gòu)造

IMP葉輪轉(zhuǎn)子由特種電機(jī)轉(zhuǎn)子與推進(jìn)器葉輪葉片組成, 如圖2所示。應(yīng)用等效磁路法對(duì)特種電機(jī)本體進(jìn)行計(jì)算, 確定電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)[3]。葉輪葉片是采用改進(jìn)的升力法, 在NACA16翼型基礎(chǔ)上做相應(yīng)修改得到的[4]。為真實(shí)模擬試驗(yàn)情況, 建立的模型與IMP實(shí)體略有區(qū)別, 進(jìn)水流道及出流管都進(jìn)行了適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)。葉輪轉(zhuǎn)子有4個(gè)葉片, 比轉(zhuǎn)速為708.6。

圖2 集成電機(jī)推進(jìn)器葉輪轉(zhuǎn)子

2 CACA原理

由于單一蟻群算法存在易停滯、易陷入局部最優(yōu)的缺點(diǎn), 僅僅依賴改進(jìn)算法有時(shí)還達(dá)不到理想的優(yōu)化結(jié)果, 因此很多學(xué)者開(kāi)始研究混合算法, 已經(jīng)有學(xué)者成功地應(yīng)用了蟻群禁忌搜索混合優(yōu)化算法, 蟻群模擬退火混合優(yōu)化算法, 還有人將遺傳算法與蟻群算法有機(jī)結(jié)合[5]。對(duì)于CACA, 混沌的遍歷性特點(diǎn)可以作為搜索過(guò)程中避免陷入局部極小值的一種優(yōu)化機(jī)制, 可以有效克服以上缺點(diǎn)[6]。

CACA主程序流程圖如圖3所示。該主程序中包含2個(gè)子程序, 分別是創(chuàng)建蟻群子程序和鄰域搜索子程序。創(chuàng)建蟻群子程序主要是通過(guò)一個(gè)循環(huán)嵌套, 在定義域內(nèi), 對(duì)于每一個(gè)蟻群個(gè)體中的每個(gè)變量隨機(jī)生成點(diǎn)

在完成每一次創(chuàng)建之后, 都要對(duì)函數(shù)約束條件進(jìn)行判斷, 如果不滿足函數(shù)約束條件, 則要重新創(chuàng)建蟻群個(gè)體。鄰域搜索子程序主要是當(dāng)不滿足轉(zhuǎn)移概率時(shí), 在當(dāng)前螞蟻的周圍調(diào)用鄰域搜索子程序, 以期搜索到更好的解。文獻(xiàn)[7]中已采用蟻群算法及CACA對(duì)幾個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化, 實(shí)踐證明, CACA得到的結(jié)果更能令人滿意。

3 CACA在IMP特種電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是一種帶約束的復(fù)雜的非線性優(yōu)化問(wèn)題。隨著永磁電機(jī)等各種特種電機(jī)的廣泛應(yīng)用, 以及應(yīng)用環(huán)境的特殊要求, 對(duì)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了越來(lái)越高的要求。IMP特種電機(jī)要求更高的效率、功率密度和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)以及電機(jī)系統(tǒng)的高可靠性和準(zhǔn)確性等。另外, 電機(jī)優(yōu)化計(jì)算模型復(fù)雜化, 優(yōu)化變量數(shù)增多, 導(dǎo)致算法計(jì)算量增大, 搜索時(shí)間加長(zhǎng)[8]。文中提出的CACA力求在IMP特種電機(jī)電機(jī)效率、功率密度、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的提高和算法搜索時(shí)間的縮短上有較大進(jìn)展。

3.1 目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)化變量的選取

根據(jù)設(shè)計(jì)要求, 選擇IMP特種電機(jī)的體積和效率之比作為優(yōu)化目標(biāo), 目標(biāo)函數(shù)為

式中:1表示輸入功率;表示功率損耗。

根據(jù)優(yōu)化變量的設(shè)計(jì)原則和影響IMP特種電機(jī)的效率和體積的諸多因素, 選取電機(jī)的電樞內(nèi)徑D, 電樞鐵心長(zhǎng)度L, 永磁體磁化方向長(zhǎng)度L, 極弧系數(shù)a, 每槽導(dǎo)體數(shù)N, 定子導(dǎo)體裸線直徑d, 定子的槽梯形高h, 槽底圓直徑r, 葉輪轉(zhuǎn)子軛永磁體磁化方向面積, 徑向厚度d共10個(gè)變量作為優(yōu)化變量。

3.2 約束條件的選取

IMP特種電機(jī)設(shè)計(jì)需要滿足下列技術(shù)指標(biāo)和性能要求, 約束條件如下。

起動(dòng)電流倍數(shù)

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

其中, 為滿足起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的高要求, 將技術(shù)指標(biāo)的3.08提高至3.2。

槽滿率

齒磁密

軛部磁密

氣隙磁密

各結(jié)構(gòu)參數(shù)不為0, 10個(gè)自變量滿足各自的取值范圍。

3.3 電機(jī)額定數(shù)據(jù)和算法參數(shù)的選擇

幾乎所有模擬進(jìn)化算法的優(yōu)化性能都與參數(shù)的選擇密切相關(guān), 不同的參數(shù)選擇對(duì)算法的影響很大[9]。針對(duì)IMP特種電機(jī), 算法的主要參數(shù)選擇: 迭代數(shù)為10; 螞蟻數(shù)為5; 信息素殘留系數(shù)為0.68; 積累信息作用系數(shù)為1; 啟發(fā)式因子作用系數(shù)為1; 領(lǐng)域搜索循環(huán)次數(shù)search為50。

3.4 優(yōu)化結(jié)果

應(yīng)用優(yōu)化算法對(duì)IMP特種電機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。其優(yōu)化前后各變量值及電機(jī)性能指標(biāo)的對(duì)比分析如表1所示。

表1 優(yōu)化后與優(yōu)化前設(shè)計(jì)方案比較

由表1可見(jiàn), 優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案使電機(jī)效率提高1.6%, 體積縮小5.6%, 永磁體用量減小了1.43%, 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩提高了5.8%, 使電機(jī)能更好地適應(yīng)高起動(dòng)場(chǎng)合要求。圖4是應(yīng)用Simulink對(duì)IMP特種電機(jī)進(jìn)行仿真運(yùn)行后, 得到的電機(jī)運(yùn)行特性曲線。

圖4 IMP特種電機(jī)工作特性曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

在電動(dòng)力魚(yú)雷IMP特種電機(jī)設(shè)計(jì)中, 采用CACA算法對(duì)其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化, 其搜索速度和精度都優(yōu)于單一蟻群算法, 有效避免了收斂速度慢, 易早熟和停滯等不足。優(yōu)化后的IMP特種電機(jī)設(shè)計(jì)方案電機(jī)體積明顯減小, 永磁體用量減少, 效率、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩及功率密度都有所提高。CACA算法為魚(yú)雷IMP特種電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了一種新的有效方法, 使其具有更好的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

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Optimization Design of Motor for Torpedo Integrated Motor Propulsor Based on Chaos Ant Colony Algorithm

WANG Ding, XIE Shun-yin, LIAN Jun-qiang

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

To enhance power density and work efficiency of the special brushless DC motor for integrated motor propulsor (IMP) of torpedo, a hybrid optimum intelligent algorithm, named chaos ant colony algorithm (CACA), is presented. This method embeds chaos optimization algorithm into ant colony algorithm. The special brushless DC motor is optimized by making use of the high accuracy of the ant colony algorithm and the rapidness of the chaos optimization algorithm. The optimization results of the motor show that the efficiency is enhanced by 1.6% and the volume is reduced by 5.6%. The proposed chaos ant colony algorithm may become a tool for the design of special brushless DC motor of torpedo IMP.

electric power torpedo; integrated motor propulsor(IMP); chaos ant colony algorithm(CACA); special brushless DC motor

TJ631.2; TM301.3

A

1673-1948(2011)04-0299-04

2010-11-03;

2010-12-03.

王 鼎(1983-), 男, 在讀博士, 研究方向?yàn)殡妱?dòng)力推進(jìn)技術(shù).

(責(zé)任編輯: 陳 曦)