大型凸極同步發電機轉子極靴結構優化方法綜述

Pengcheng Ma1,2; Jinxiu Chen*1; Yiwei Ding1,2

1.Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China

P. Ma, J. Chen and Y. Ding, "A Review of Optimization Methods for Pole-Shoe Structures in Large-Scale Salient Pole Synchronous Motors," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol. 10, no. 1, pp. 28-43, March 2026, doi: 10.30941/CESTEMS.2026.00009.

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亮點

本文系統綜述了大型凸極同步電機轉子極靴結構的優化方法，重點分析了三段弧、五段弧、偏心極弧+弦面及不對稱磁極等拓撲結構對氣隙磁場分布、電壓波形畸變率等電磁參數的影響。文章從電磁場逆問題數值求解與優化算法應用兩個維度，對比了改進模擬退火、禁忌搜索、粒子群及量子進化算法在五段弧極靴單/多目標優化中的性能差異，為凸極同步電機的設計提供了重要的方案總結和實用的原則指導。此外，本文提出了引入拓撲優化方法以突破傳統幾何假設限制，并建議采用多目標粒子群算法來實現復雜工況下的性能均衡。

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內容

大多數水力發電機組都是凸極同步電動機。凸極結構本身會產生非正弦的氣隙磁場。隨著間歇性可再生能源和電力電子設備在大規模層面上越來越多地被整合到電網中，傳統的水力發電機組在削峰、頻率調節和無功功率支持方面承擔著重要的責任。

（一）極靴結構與電磁參數計算理論

?闡述了極靴結構的作用，引導磁通、均勻氣隙磁密、承受機械應力。

?通過極弧系數、電壓波形系數和電樞反應系數，探討關鍵電磁參數。

（二）分析了四種典型極靴拓撲結構：三段弧結構、五段弧結構、單偏心極弧+兩段弦面結構、不對稱磁極結構。

（三）總結了極靴結構優化計算方法

?兩種優化模式：參數優化和拓撲優化。

參數優化：預研準備、電磁設計、結構設計

拓撲優化：構建材料分布函數實現多物理場協同優化

?電磁場逆問題：將逆問題分解為多個正問題，通過優化算法迭代求解

數值分析方法（正問題求解）：有限差分法、邊界元法、矩量法、有限體積法、無網格法、有限元法。

優化算法（逆問題求解）：傳統確定類算法（梯度法、牛頓法）、隨機搜索算法如遺傳算法、模擬退火、禁忌搜索、粒子群算法、量子進化算法。

?五段弧極靴的優化應用

單目標優化：目的是使空載氣隙磁通密度的基本分量達到最大值。對比了改進禁忌搜索算法、模擬退火算法、區域消去法、粒子群算法等。

多目標優化：目的為最大化空載氣隙磁通密度的基本分量、最小化空載電壓波形畸變率以及最小化電話諧波因數 THF，最終確定一組帕累托最優解，對比了矢量禁忌搜索算法、改進量子進化算法、多目標粒子群優化算法。實踐中，研究人員通常會引入多準則決策（MCDM）方法篩選最優方案，如加權平均法、模糊綜合評價、TOPSIS、RSR、VIKOR來進行方案評估。

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思考

當前的極靴設計，通常以多段弧形結構為例，本質上受到初始幾何假設的限制，這可能阻礙發現具有更優性能的非傳統結構形式。

未來的研究應側重于為大型凸極同步電機建立一個多階段優化路徑。在當前的設計實踐中，拓撲優化應首先在二維或簡化三維模型中應用，以探索非傳統結構原型。

創新的結構配置應轉換為可參數化的描述，并在傳統的參數化設計框架內進行細化以進行工程修正。

應采用高精度的多物理場模擬來精確校準所合成結構的電磁、機械和熱特性以充分發揮拓撲優化的創新潛力，同時確保電機設計的工程可行性和可靠性。

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團隊介紹

中國科學院電工研究所電力設備新技術實驗室是我國電氣科學與工程技術領域從事相變換熱高效冷卻技術研究的核心力量，長期圍繞大型電氣裝備散熱需求開展理論創新與工程應用研究。

該方向由顧國彪院士等人開創，先后承擔了大寨、安康、李家峽、三峽等一系列蒸發冷卻水輪發電機科研攻關項目，以及“十一五”國家科技支撐計劃“800兆瓦量級蒸發冷卻水輪發電機優化設計研究和樣機研制”、中國科學院重點部署項目“百萬千瓦級蒸發冷卻水輪發電機關鍵技術研究”等重大任務，榮獲國家科技進步獎特等獎（2019年）、國家科技進步獎二等獎（1988年、2002年）及中國科學院科技進步獎一等獎（1987年、2000年）等多項獎勵。

實驗室開展了大型電機系統特性及集成優化設計、微細管道兩相流動、復雜結構流動與傳熱耦合、氣液固復合絕緣擊穿特性、高效散熱材料制備與檢測等基礎與工程應用研究，為大型水電機組高可靠性設計與安全運行提供了有力技術支撐，相關研究基礎可直接服務于我國西南高海拔巨型水電工程。

此外，實驗室將蒸發冷卻技術拓展應用于電力電子設備和高性能計算等領域，研制的換流閥閥段散熱性能顯著優于傳統冷卻系統；應用于高密度服務器，可實現超低PUE，并在高海拔地區成功部署，為綠色高效計算提供了可行方案。

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作者介紹

馬鵬程，出生于山西省。他于2024 年獲四川大學電氣工程及其自動化專業學士學位。目前他正在中國科學院電工研究所攻讀電氣工程碩士學位。研究方向為氣液復合絕緣以及定子線棒防暈設計。

陳金秀，她于2010 年獲中國礦業大學（北京）電氣工程及其自動化專業學士學位，2016 年獲中國科學院大學電工研究所電機與電器專業博士學位。2016—2021 年任中國科學院電工研究所助理研究員，2022 年至今任該所副研究員。目前的主要研究領域包括電力設備蒸發冷卻技術理論與工程應用、多相復合絕緣、電機絕緣及防電暈設計。

丁藝偉，出生于河南省。他于2022 年獲鄭州輕工業大學電機與電器專業碩士學位，目前于中國科學院大學電工研究所攻讀電機與電器專業博士學位。研究方向為水輪發電機多學科優化設計、電磁-熱-流體多物理場耦合分析、先進優化算法在發電機綜合性能優化中的應用。

《中國電工技術學會電機與系統學報（英文）》(CES TEMS)是中國電工技術學會和中國科學院電工研究所共同主辦、IEEE PELS學會技術支持的英文學術期刊。期刊發表國內外有關高性能電機系統、電機驅動、電力電子、可再生能源系統、電氣化交通等研發及應用領域中原創、前沿學術論文。中國工程院院士馬偉明擔任主編，IEEE的執委Don Tan博士為國際主編。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中國科學引文數據庫(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知網、萬方、維普等數據庫收錄。

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