CN103927408A - 水轮发电机质量控制设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是公开一种水轮发电机质量控制设计方法。本发明的技术方案是：针对水轮发电机，在除额定功率点外，多个不同功率点运行的工况，以及电机性能指标对设计参数变化的敏感性，结合水轮发电机加工装配工艺、运行工作环境、部件劣化磨损等实际情况，选取对水轮发电机电磁设计影响较大的变量作为待优化设计变量，利用田口法对水轮发电机额定运行效率、加权平均效率及生产成本等设计目标以及短路比、电抗保证值等性能约束构建多指标质量控制设计模型，经***设计、参数设计、容差设计，最终获得性能稳定、运行可靠、成本低的水轮发电机，从而实现了在整个功率区间范围内水轮发电机高效运行，达到质量与成本的最佳平衡。

Description

水轮发电机质量控制设计方法

技术领域：本发明涉及水轮发电机设计领域。特别是涉及一种水轮发电机质量控制设计方法。

背景技术：目前，水力发电是人类社会应用最广泛的可再生能源。面对温室气体过度排放的威胁以及“节能减排”等政策的实施，水利发电，与火力发电相比，具有绿色、可再生的优势；与核能、太阳能、风能等发电方式相比，具有低成本、技术成熟的优势，其已成为各国优先考虑、且大规模开发的发电方式。

水轮发电机作为水力发电***的重要部件之一，其性能优劣直接关系整个水力发电***运行的成败，因此水轮发电机设计及其优化研究具有重要的意义。目前，常规水轮发电机设计已具有相对成熟的技术，但随着巨型水轮发电机组、大型抽水蓄能机组需求的增加，以及高水头应用场合的开发，水轮发电机设计技术需要不断的更新发展，并逐步形成成熟的设计理念与方法。

电机是一个复杂的耦合***，其各项性能之间相互影响，彼此制约，同时设计电机不仅要综合考虑运行效率、制造成本等多种因素，还需兼顾电磁负荷、过载能力、转矩特性、机械结构、通风发热等复杂约束条件。另外，电机性能指标对设计参数的变化非常敏感，受企业工序控制、生产流程等质量管理水平的影响，电机性能出现不同程度地下降，存在一定的离散度，无法保证产品生产的一致性。因此，提出满足国家标准、用户要求以及特定约束条件的质量控制设计方案，使电机综合性能最优，对解决电机性能指标之间彼此冲突，保证电机优质高效运行具有重要意义。

传统的质量控制方法注重产品后期检验，具有很强的事后性，造成时间和资源的很大浪费，对预防不合格产品的发现缺乏有效控制。田口法是由日本著名学家Taguchi Genichi博士于上世纪70年代创立的一种科学有效的质量控制设计方法和质量管理技术。通过合理安排试验方案，确定最佳参数组合，增强产品质量特性对各种干扰的鲁棒性，并最终实现产品质量和成本的最佳平衡。田口法将整个设计过程分为三个阶段，即***设计、参数设计及容差设计，因此，其亦称为三次设计法。该方法在科研与生产中已取得显著的实际成效。

发明内容：本发明旨在提高水轮发电机产品设计质量，以提供一种提高水轮发电机额定运行效率与加权平均效率，降低电机生产成本，且满足各项电气与机械性能指标的水轮发电机质量控制设计方法。

本发明所采用的技术方案是：

1．一种水轮发电机质量控制设计方法，包括如下步骤：

（1）以凸极同步电机作为水轮发电机进行质量控制设计；

（2）利用田口法作为水轮发电机质量控制设计的方法；

（3）选择水轮发电机主要尺寸、定子槽数、并联支路数、定子线圈股线尺寸、气隙长度、转子极靴尺寸和转子极身尺寸中的各变量中的部分变量或全部变量作为水轮发电机待优化设计变量；

（4）选择水轮发电机额定运行效率、加权平均效率及生产成本作为水轮发电机设计目标，选择短路比、电抗保证值作为水轮发电机性能约束，将上述设计目标与性能约束共同作为水轮发电机输出特性，构成多指标质量控制设计模型；

（5）确定步骤（3）中各待优化设计变量的状态个数及相应取值，建立可控因素水平表，根据优化变量个数及各变量状态数选择适当的正交表，构造内正交表进行内设计；

（6）考虑实际生产加工与装配工艺水平、工作条件与运行环境、内部劣化与运行磨损等因素影响，以这些因素造成的参数误差作为噪音因素，确定各噪音因素的状态个数及相应取值，建立噪音因素水平表，根据噪音因素个数及各因素状态数选择适当的正交表，构造外正交表进行外设计；

（7）将步骤（4）中各输出特性分别处理为望小特性，对应于内正交表的每一个组合，把误差因素配列于外正交表，计算由内、外正交表确定试验方案的输出特性值及信噪比；

（8）对步骤（7）获得的结果数据进行方差分析，检验设计参数显著性程度，确定最佳参数组合；

（9）以步骤（8）确定的最佳参数作为各优化参数取值，进一步确定各参数波动范围，进行容差设计；

（10）按照最优设计方案绘制水轮发电机定子、转子、轴承、机架等各部套图纸，线切割模具，冲模、叠压、绕线、嵌线、浸漆及装配，检验发电机实际运行指标并与设计方案给出的指标比较，如果实际运行的指标超出运行指标要求范围，调整性能设计方案，重新进行优化设计。

所述的电机为凸极同步电机，电机由定子、转子、轴承、机架等结构组成，定子采用对称三相短距、分布、条式波绕组，转子上除励磁绕组外，还装有阻尼绕组，且阻尼绕组由阻尼条与阻尼环构成闭合结构。

步骤（5）所述的设计目标的数学模型是：

$f_1={\mathrm{\η}}_N=1-P_{\mathrm{Loss}}^{*}$

$f_2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i{\mathrm{\η}}_i$   （公式1）

f₃＝W₁C_Mater.+W₂C_Manuf.

式中：f₁为水轮发电机额定运行效率数学模型，为最大化问题，

η_N——水轮发电机额定运行效率；

——水轮发电机总损耗标么值，总损耗包括铁损耗、定子绕组铜耗、转子绕组铜耗、励磁***损耗、通风损耗、摩擦损耗和杂散损耗，其中，摩擦损耗为导轴承损耗和发电机部分承担的推力轴承损耗；

f₂为水轮发电机加权平均效率数学模型，为最小化问题，

η_i、k_i——分别为不同功率工况时，水轮发电机运行效率和相应的权重；

f₃为水轮发电机生产成本数学模型，为最小化问题，

W₁、W₂——分别为水轮发电机有效材料成本和制造成本加权系数，可根据实际生产经验确定不同的成本策略；

C_Mater.、C_Manuf.——分别为水轮发电机有效材料成本和制造成本，有效材料成本主要包括硅钢片、铜、绝缘材料、板材等成本，制造成本为发电机生产过程中，除有效材料成本外的其它成本。

步骤（5）至步骤（8）参数设计过程可进行多轮设计，每进行新一轮参数设计，都根据上一轮参数设计分析结果构造新的可控因素水平表与内正交表。

步骤（7）和步骤（8）分析多指标设计结果是采用下述两种方法中的一种：

第一种方法：首先以水轮发电机额定运行效率、加权平均效率、生产成本分别作为单性能指标进行独立设计分析，在该分析过程中，当以其中的一个指标进行设计分析时，其它指标作为约束条件，最后对设计结果进行综合比较，基于博弈理论，权衡利弊，确定最佳的设计方案；

第二种方法：根据实际情况，依靠专业知识或现场经验将水轮发电机额定运行效率、加权平均效率、生产成本三个设计指标转化为单性能指标确定最佳设计方案。

本发明的水轮发电机质量控制设计方法，结合水轮发电机实际生产加工与装配工艺水平、工作条件与运行环境、内部劣化与运行磨损等要素，经***设计、参数设计、容差设计，最终获得性能稳定、运行可靠、成本低的水轮发电机，达到质量与成本的最佳平衡，提高产品的市场竞争力。具有如下效益：

1．选取水轮发电机额定运行效率作为优化目标，实现发电机高效运行的目标，减少了无功传递造成的损耗；选取水轮发电机加权平均效率作为优化目标，保证了水轮发电机在不同的功率工况下均具有较高的效率，从而在整个功率区间范围内水轮发电机真正达到高效的效果；选取水轮发电机生产成本作为优化目标，在保证实现发电机高效运行的前提下，降低包括有效材料成本和制造成本在内的总成本投入，使水轮发电机经济效益最大化。

2．以田口法作为水轮发电机设计、开发、研制、生产的质量控制设计方法，综合考虑了水轮发电机性能指标对设计参数变化的敏感性以及制造企业工序控制、生产流程等质量管理水平，将产品开发设计与质量管理相结合，弱化了各种干扰对水轮发电机性能指标的影响，提高了发电机优质高效运行的稳健性，增强了水轮发电机在电力行业的市场竞争力。

附图说明：

图1：水轮发电机质量控制设计方法的设计流程。

图2：表1因素水平表。

图3：表2噪音因素表。

具体实施方式：

结合实施例和附图水轮发电机质量控制设计流程对本发明的水轮发电机质量控制设计方法做出详细说明。

水力发电是水能利用的重要形式。水电工程和河流的综合开发利用一起规划建设，常兼有防洪、灌溉、航运、水产、旅游及改善生态环境中的一种或多种综合利用效益。建一个水电站，带动一方经济社会发展，这是普遍现象。水力发电机组是将水能转换为机械能，再由机械能转换为电能的主机设备，其中，水轮发电机便承担着将机械能转换为电能向电网输送的重要作用。随着巨型水轮发电机组、大型抽水蓄能机组需求的增加，以及高水头应用场合的开发，对水轮发电机设计技术提出了新的要求与挑战。因此，开发适用于新要求、新运行环境的水轮发电机，并逐步形成成熟的设计理念与方法，具有显著的经济效益和社会效益，对促进水电行业的发展具有重要意义。

由于水电站水头区间较宽，除额定运行点外，水轮发电机通常在多个不同功率工况运行，因此，发电机不仅需要在额定运行点具有较高的效率，而且需要在不同功率工况也具有较高的效率，从而在实际运行中真正实现高效的目标。综合考虑水轮发电机的运行特点，本发明以发电机额定运行效率、加权平均效率以及发电机生产成本作为设计指标，在降低成本投入的基础上，实现水轮发电机的优质高效运行，促进新技术研究以及新型产品开发。

可靠性与稳定性是电机优质高效运行的前提，由于电机性能指标对设计参数的变化具有较强的敏感性，制造工艺、加工设备、使用环境、运行时间等引起的参数变化造成电机性能不同程度的下降，无法满足电机长期高效、可靠运行的要求。本发明在水轮发电机设计中利用田口法予以指导，为水轮发电机性能指标的实现提供了稳健性方案。

如图1所示，本发明的水轮发电机质量控制设计方法，包括如下步骤：

（1）以凸极同步电机作为水轮发电机进行质量控制设计，所述的发电机由定子、转子、轴承、机架等结构组成，定子采用对称三相短距、分布、条式波绕组，转子上除励磁绕组外，还装有阻尼绕组，且阻尼绕组由阻尼条与阻尼环构成闭合结构；

（2）利用田口法（三次设计、田口法）对水轮发电机进行产品质量控制；

（3）选择水轮发电机主要尺寸、定子槽数、并联支路数、定子线圈股线尺寸、气隙长度、转子极靴尺寸和转子极身尺寸中的各变量中的部分变量或全部变量作为水轮发电机待优化设计变量；

（4）选择水轮发电机额定运行效率、加权平均效率及生产成本作为水轮发电机设计目标，确定短路比、电抗保证值作为水轮发电机性能约束，将上述设计目标与性能约束共同作为水轮发电机输出特性，构成多指标质量控制设计模型；

所述的水轮发电机设计目标的数学模型是：

$f_1={\mathrm{\η}}_N=1-P_{\mathrm{Loss}}^{*}$

$f_2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i{\mathrm{\η}}_i$   （公式1）

f₃＝W₁C_Mater.+W₂C_Manuf.

式中：f₁为水轮发电机额定运行效率数学模型，为最大化问题，

η_N——水轮发电机额定运行效率；

——水轮发电机总损耗标么值，总损耗包括铁损耗、定子绕组铜耗、转子绕组铜耗、励磁***损耗、通风损耗、摩擦损耗和杂散损耗，其中，摩擦损耗为导轴承损耗和发电机部分承担的推力轴承损耗；

f₂为水轮发电机加权平均效率数学模型，为最小化问题，

η_i、k_i——分别为不同功率工况时，水轮发电机运行效率和相应的权重；

f₃为水轮发电机生产成本数学模型，为最小化问题，

W₁、W₂——分别为水轮发电机有效材料成本和制造成本加权系数，可根据实际生产经验确定不同的成本策略；

C_Mater.、C_Manuf.——分别为水轮发电机有效材料成本和制造成本，有效材料成本主要包括硅钢片、铜、绝缘材料、板材等成本，制造成本为发电机生产过程中，除有效材料成本外的其它成本。

（5）确定步骤（3）中各待优化设计变量的状态个数及相应取值，建立可控因素水平表，根据优化变量个数及各变量状态数选择适当的正交表，构造内正交表进行内设计；

（6）考虑实际生产加工与装配工艺水平、工作条件与运行环境、内部劣化与运行磨损等因素影响，以这些因素造成的参数误差作为噪音因素，确定各噪音因素的状态个数及相应取值，建立噪音因素水平表，根据噪音因素个数及各因素状态数选择适当的正交表，构造外正交表进行外设计；

（7）将步骤（4）中各输出特性分别处理为望小特性，对应于内正交表的每一个组合，把误差因素配列于外正交表，根据公式1～公式6计算由内、外正交表确定试验方案的输出特性值及信噪比；

设z₁，z₂，…，z_n为n个输出特性值，根据统计学理论，μ、σ²、μ²的无偏估计为

$\widehat{\mathrm{\μ}}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i$   （公式2）

${\widehat{\mathrm{\σ}}}^2=\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(z_i-\widehat{\mathrm{\μ}})}^2$   （公式3）

${\widehat{\mathrm{\μ}}}^2=\frac{1}{n}[{\left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i\right)}^2-{\widehat{\mathrm{\σ}}}^2]$   （公式4）

对于单一特性指标，望小特性的信噪比为

SN＝1/(μ²+σ²)  （公式5）

进一步，将SN表示为10倍对数形式

$\mathrm{SN}=-10\log \left(\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{z}_i^2\right)$   （公式6）

（8）对步骤（7）获得的结果数据进行方差分析，检验设计参数显著性程度，确定最佳参数组合；

（9）以步骤（8）确定的最佳参数作为各优化参数取值，进一步确定各参数波动范围，进行容差设计；

（10）按照最优设计方案绘制水轮发电机定子、转子、轴承、机架等各部套图纸，线切割模具，冲模、叠压、绕线、嵌线、浸漆及装配，检验发电机实际运行指标并与设计方案给出的指标比较，如果实际运行的指标超出运行指标要求范围，调整性能设计方案，重新进行优化设计。

步骤（5）至步骤（8）参数设计过程可进行多轮设计，每进行新一轮参数设计，都根据上一轮参数设计分析结果构造新的可控因素水平表与内正交表。

步骤（7）和步骤（8）分析多指标设计结果是采用下述两种方法中的一种：

第一种方法：首先以水轮发电机额定运行效率、加权平均效率、生产成本分别作为单性能指标进行独立设计分析，在该分析过程中，当以其中的一个指标进行设计分析时，其它指标作为约束条件，最后对设计结果进行综合比较，基于博弈理论，权衡利弊，确定最佳的设计方案；

第二种方法：根据实际情况，依靠专业知识或现场经验将水轮发电机额定运行效率、加权平均效率、生产成本三个设计指标转化为单性能指标确定最佳设计方案。

本发明的实施例在确定以田口法对凸极同步水轮发电机以公式1所给出的各指标数学模型进行质量控制后，针对目标特性，确定待优化设计变量，并以此建立可控因素水平表，同时根据正交表设计原则构造内正交表进行内设计。

本发明的实施例以水轮发电机定子铁芯内径D_i、铁芯长L_i、定子槽数Z、定子股线线规C（a×b）、气隙长度δ、极弧系数α_p六个变量作为待优化变量。

本发明的实施例中，各优化变量均取5个状态，各状态由“标识+水平”表示，并称各状态值为对应变量名义值，如表1所示。

由于本发明的实施例共选取6个因素，且每个因素均取5个状态，因此选取6因素5水平正交表作为内正交表，且设计表头时6个因素可任意排列。

由于各种干扰对电机质量特性造成不同程度的影响，以电机生产加工与装配等工艺水平、使用条件与工作环境、内部劣化与运行磨损等因素造成的设计参数误差作为噪音因素，建立噪音因素水平表，同时根据正交表设计原则构造外正交表进行外设计。

本发明的实施例中，考虑定子铁芯内径、铁芯长、气隙长度δ、定子槽宽b₁、定子槽高h₁均存在工艺误差，并以实际加工公差作为误差取值，如表2所示。对于定子槽宽与槽高的名义值为设计方案已确定值。

由于本发明的实施例共选取5个误差因素，且每个因素均取3个状态，利用7因素3水平+1因素2水平混合正交表构造其适用的5因素3水平外正交表，且设计表头时在7个3水平列可任选5列排列误差因素。

在水轮发电机三个性能优化指标中，生产成本函数为非负最小化问题；额定运行效率函数及加权平均效率，虽然希望函数值越大越好，但最大不会超过1，因此，可分别将函数值与1作差，化为非负最小化问题，从而三个性能优化指标均可以望小特性分析，作为评价产品质量特性的稳健性指标。望小特性的目的即希望输出特性越小越好，理想值为0，且非负。对于质量特性z服从正态分布N（μ，σ²）的产品，，等价于希望输出特性期望值μ越小越好，且方差σ²亦越小越好。为统一量纲，可要求μ²+σ²越小越好。

对应于内正交表的每一个组合，把误差因素配列于外正交表。本发明的实施例内正交表选用6因素5水平正交表，共安排25个试验方案，外正交表选用7因素3水平+1因素2水平正交表，共安排18个试验方案，根据内正交表的每一个组合配置一个外正交表，因此共实施25×18＝450次试验。根据公式1计算内正交表中每一个组合对应外正交表安排的18次试验的输出特性值，根据公式2～公式6计算信噪比值，即为内正交表中该组合的信噪比值，并对试验结果进行方差分析，研究试验条件的变化对产品质量特性的影响。一方面，判断试验因素对产品质量特性影响的显著性程度，另一方面，确定主要试验因素处于何种状态能够使产品质量特性处于最佳，即确定试验因素最优组合。

信噪比越大，产品质量特性波动越小，抗干扰能力越强，产品质量越稳定，合格率越高。当多个指标同时存在时，可采用下述方法处理：

第一种：首先以水轮发电机额定运行效率、加权平均效率、生产成本分别作为单性能指标进行独立设计分析，在该分析过程中，当以其中的一个指标进行设计分析时，其它指标作为约束条件，最后对设计结果进行综合比较，基于博弈理论，权衡利弊，确定最佳的设计方案；

第二种：根据实际情况，依靠专业知识或现场经验将水轮发电机额定运行效率、加权平均效率、生产成本三个设计指标转化为单性能指标确定最佳设计方案。

在完成一轮参数设计后，若设计方案未达到满意效果，需进行新一轮参数设计。此时，根据上一轮参数设计结果，基于各试验因素显著性关系及不同水平间的位级关系，判断试验因素对产品质量特性的影响趋势，重新建立可控因素水平表，并根据正交表设计原则构造内正交表进行内设计，直至获得满意的设计方案。

参数设计确定了实现产品质量特性指标的最佳参数，此时各零部件的品级、加工工艺精度一般较低，参数波动范围通常较大，为减小产品质量特性的波动，从经济性角度考虑，在不增加社会总损失的前提下，可提高主要因素的品级与精度，即进行容差设计，通过建立损失函数，寻求产品质量与成本之间的最佳平衡。

本发明的实施例容差设计步骤如下：

①以参数设计确定的最佳参数作为名义值；

②仍采用参数设计中误差因素及其波动范围，设计相应于最佳参数的噪音因素表，同样选择7因素3水平+1因素2水平正交表配列5个误差因素；

③根据公式1～公式6计算正交表确定试验方案的输出特性值及信噪比；

④对结果数据进行方差分析，确定设计参数的显著性程度；

⑤容差设计。容差设计的优劣以损失函数L（公式7）评价。把对输出特性影响大的设计参数的容差范围缩小，根据公式7计算此时损失函数值，并将其与容差范围缩小前设计方案的损失函数值比较，并考虑由于容差范围压缩造成的成本的增加。若平均质量损失降低的费用大于成本增加的费用，则压缩容差范围是可行的，否则是不适宜的。

损失函数L为

$L=k\left[\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(z_i-m)}^2\right]$   （公式7）

式中：k为损失函数系数；m为输出特性目标值。

结合水轮发电机实际运行特点，经***设计、参数设计、容差设计，最终实现性能稳定、运行可靠、成本低的目标，达到质量与成本的最佳平衡，提高产品的市场竞争力。

这里以本发明的实施例为中心展开了详细说明，所描述的优选方式或某些特性的具体体现，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述本发明，实际上在组成、构造和使用的某些细节上会有所变化，包括部件的组合和组配，这些变形和应用都应该属于本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种水轮发电机质量控制设计方法，其特征在于，包括如下设计步骤：

（1）以凸极同步电机作为水轮发电机进行质量控制设计；

（2）利用田口法作为水轮发电机质量控制设计的方法；

（3）选择水轮发电机主要尺寸、定子槽数、并联支路数、定子线圈股线尺寸、气隙长度、转子极靴尺寸和转子极身尺寸中的各变量中的部分变量或全部变量作为水轮发电机待优化设计变量；

（4）选择水轮发电机额定运行效率、加权平均效率及生产成本作为水轮发电机设计目标，选择短路比、电抗保证值作为水轮发电机性能约束，将上述设计目标与性能约束共同作为水轮发电机输出特性，构成多指标质量控制设计模型；

（5）确定步骤（3）中各待优化设计变量的状态个数及相应取值，建立可控因素水平表，根据优化变量个数及各变量状态数选择适当的正交表，构造内正交表进行内设计；

（6）考虑实际生产加工与装配工艺水平、工作条件与运行环境、内部劣化与运行磨损等因素影响，以这些因素造成的参数误差作为噪音因素，确定各噪音因素的状态个数及相应取值，建立噪音因素水平表，根据噪音因素个数及各因素状态数选择适当的正交表，构造外正交表进行外设计；

（7）将步骤（4）中各输出特性分别处理为望小特性，对应于内正交表的每一个组合，把误差因素配列于外正交表，计算由内、外正交表确定试验方案的输出特性值及信噪比；

（8）对步骤（7）获得的结果数据进行方差分析，检验设计参数显著性程度，确定最佳参数组合；

（9）以步骤（8）确定的最佳参数作为各优化参数取值，进一步确定各参数波动范围，进行容差设计；

（10）按照最优设计方案绘制水轮发电机定子、转子、轴承、机架等各部套图纸，线切割模具，冲模、叠压、绕线、嵌线、浸漆及装配，检验发电机实际运行指标并与设计方案给出的指标比较，如果实际运行的指标超出运行指标要求范围，调整性能设计方案，重新进行优化设计。

2.根据权利要求1所述的水轮发电机质量控制设计方法，其特征在于，所述的电机为凸极同步电机，电机由定子、转子、轴承、机架等结构组成，定子采用对称三相短距、分布、条式波绕组，转子上除励磁绕组外，还装有阻尼绕组，且阻尼绕组由阻尼条与阻尼环构成闭合结构。

3.根据权利要求1所述的水轮发电机质量控制设计方法，其特征在于，步骤（5）所述的设计目标的数学模型是：

$f_1={\mathrm{\η}}_N=1-P_{\mathrm{Loss}}^{*}$

$f_2=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i{\mathrm{\η}}_i$   （公式1）

f₃＝W₁C_Mater.+W₂C_Manuf.

式中：f₁为水轮发电机额定运行效率数学模型，为最大化问题，

η_N——水轮发电机额定运行效率；

——水轮发电机总损耗标么值，总损耗包括铁损耗、定子绕组铜耗、转子绕组铜耗、励磁***损耗、通风损耗、摩擦损耗和杂散损耗，其中，摩擦损耗为导轴承损耗和发电机部分承担的推力轴承损耗；

f₂为水轮发电机加权平均效率数学模型，为最小化问题，

η_i、k_i——分别为不同功率工况时，水轮发电机运行效率和相应的权重；

f₃为水轮发电机生产成本数学模型，为最小化问题，

W₁、W₂——分别为水轮发电机有效材料成本和制造成本加权系数，可根据实际生产经验确定不同的成本策略；

C_Mater.、C_Manuf.——分别为水轮发电机有效材料成本和制造成本，有效材料成本主要包括硅钢片、铜、绝缘材料、板材等成本，制造成本为发电机生产过程中，除有效材料成本外的其它成本。

4.根据权利要求1所述的水轮发电机质量控制设计方法，其特征在于，步骤（5）至步骤（8）参数设计过程可进行多轮设计，每进行新一轮参数设计，都根据上一轮参数设计分析结果构造新的可控因素水平表与内正交表。

5.根据权利要求1所述的水轮发电机质量控制设计方法，其特征在于，步骤（7）和步骤（8）分析多指标设计结果是采用下述两种方法中的一种：

第一种方法：首先以水轮发电机额定运行效率、加权平均效率、生产成本分别作为单性能指标进行独立设计分析，在该分析过程中，当以其中的一个指标进行设计分析时，其它指标作为约束条件，最后对设计结果进行综合比较，基于博弈理论，权衡利弊，确定最佳的设计方案；

第二种方法：根据实际情况，依靠专业知识或现场经验将水轮发电机额定运行效率、加权平均效率、生产成本三个设计指标转化为单性能指标确定最佳设计方案。