CN109033634A - 确定永磁体最佳削角位置的方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定永磁体最佳削角位置的方法、装置、设备及存储介质，该方法包括采用预设削角方式对永磁体进行削角，得到多组削角尺寸；通过有限元算法对各组削角尺寸进行仿真分析，得到多组数据样本；其中，每组数据样本包括削角尺寸及与其对应的齿槽转矩值；采用响应面法对各个数据样本进行拟合分析，得到削角尺寸与齿槽转矩值相关的齿槽转矩函数关系；将齿槽转矩函数关系作为目标函数，并采用最优解算法对目标函数进行寻优求解，得到最优削角尺寸。本申请在使用过程中计算速度快、且得到的最优削角位置更加准确。
Description
技术领域
本发明实施例涉及永磁电机技术领域，特别是涉及一种确定永磁体最佳削角位置的方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
永磁电机具有高功率密度、稳定性好、高效率等优点，其应用范围越来越广泛。但永磁体与电枢齿相互作用会产生齿槽转矩，引起转矩波动，进而导致电机振动、产生噪声，对控制系统的精度造成影响。因此，削弱齿槽转矩以减小转矩脉动是电机设计中需要解决的重要问题。
不同的削角位置，对齿槽转矩的削弱效果不同，合理的永磁体削角既能降低齿槽转矩，又能节省永磁体材料，降低成本。
现有技术中，通常采用有限元仿真的方式选择多组削角尺寸，并对多组削角尺寸进行变量参数扫描分析，根据仿真结果选择齿槽转矩削弱效果最好的尺寸配合。现有技术中的方法所选择的样本空间有限，并且得到的最佳削角位置只是局部优点，准确度较低，且现有技术中的方法需要对大量的削角尺寸进行扫描分析，计算速度慢。
鉴于此，如何提供一种解决上述技术问题的确定永磁体最佳削角位置的方法、装置、设备及存储介质成为本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种确定永磁体最佳削角位置的方法、装置、设备及存储介质，在使用过程中的计算速度快、且得到的最优削角位置更加准确。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种确定永磁体最佳削角位置的方法，包括：
采用预设削角方式对永磁体进行削角，得到多组削角尺寸；
通过有限元算法对各组所述削角尺寸进行仿真分析，得到多组数据样本；其中，每组数据样本包括所述削角尺寸及与其对应的齿槽转矩值；
采用响应面法对各个所述数据样本进行拟合分析，得到削角尺寸与齿槽转矩值相关的齿槽转矩函数关系；
将所述齿槽转矩函数关系作为目标函数，并采用最优解算法对所述目标函数进行寻优求解，得到最优削角尺寸。
可选的，所述采用最优解算法对所述目标函数进行寻优求解，得到最优削角尺寸的过程为：
通过纵横交叉算法依据预设参数对所述目标函数进行寻优求解，得到最优削角尺寸。
可选的，所述预设参数包括种群数量、纵向交叉率以及最大进化代数。
可选的，所述采用响应面法对各个所述数据样本进行拟合分析的过程为：
采用中心复合实验设计法对各个所述数据样本进行拟合分析。
可选的，所述预设削角方式为边缘削角。
本发明实施例相应的提供了一种确定永磁体最佳削角位置的装置，包括：
削角模块，用于采用预设削角方式对永磁体进行削角，得到多组削角尺寸；
有限元仿真模块，用于通过有限元算法对各组所述削角尺寸进行仿真分析，得到多组数据样本；其中，每组数据样本包括所述削角尺寸及与其对应的齿槽转矩值；
响应面模块，用于采用响应面法对各个所述数据样本进行拟合分析，得到削角尺寸与齿槽转矩值相关的齿槽转矩函数关系；
寻优模块，用于将所述齿槽转矩函数关系作为目标函数，并采用最优解算法对所述目标函数进行寻优求解，得到最优削角尺寸。
可选的，所述寻优模块，具体用于将所述齿槽转矩函数关系作为目标函数，并通过纵横交叉算法依据预设参数对所述目标函数进行寻优求解，得到最优削角尺寸。
可选的，所述响应面模块，具体用于采用中心复合实验设计法对各个所述数据样本进行拟合分析，得到削角尺寸与齿槽转矩值相关的齿槽转矩函数关系。
本发明实施例还提供了一种确定永磁体最佳削角位置的设备，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述所述确定永磁体最佳削角位置方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种可读存储介质，所述可读存储介质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所述确定永磁体最佳削角位置的方法的步骤。
本发明实施例提供了一种确定永磁体最佳削角位置的方法、装置、设备及存储介质，该方法包括：采用预设削角方式对永磁体进行削角，得到多组削角尺寸；通过有限元算法对各组削角尺寸进行仿真分析，得到多组数据样本；其中，每组数据样本包括削角尺寸及与其对应的齿槽转矩值；采用响应面法对各个数据样本进行拟合分析，得到削角尺寸与齿槽转矩值相关的齿槽转矩函数关系；将齿槽转矩函数关系作为目标函数，并采用最优解算法对目标函数进行寻优求解，得到最优削角尺寸。
可见，本申请通过对有限元法对多组削角尺寸进行仿真分析能够得到多个齿槽转矩值，每个齿槽转矩值与相应的削角尺寸构成一组数据样本，从而得到多组数据样本，通过响应面法对多组样本数据进行拟合分析后得到齿槽转矩函数关系，并采用最优解算法对该齿槽转矩函数关系进行寻优，得到一组最优削角尺寸，从而确定永磁体的最优削角位置。本申请在使用过程中计算速度快、且得到的最优削角位置更加准确。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种确定永磁体最佳削角位置的方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种永磁体边缘削角的示意图；
图3为本实施例中的永磁电机原始结构的齿槽转矩分布图；
图4为本实施例中的CCD设计布点示意图；
图5为本实施例中通过纵横交叉算法对目标函数优化后的结果示意图；
图6为图2对应的永磁电机在优化削角后的齿槽转矩分布图；
图7为本发明实施例提供的一种确定永磁体最佳削角位置的装置的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种确定永磁体最佳削角位置的设备的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种确定永磁体最佳削角位置的方法、装置、设备及存储介质，在使用过程中的计算速度快、且得到的最优削角位置更加准确。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种确定永磁体最佳削角位置的方法的流程示意图。该方法，包括：
S11：采用预设削角方式对永磁体进行削角，得到多组削角尺寸；
需要说明的是，为了确定永磁电机中永磁体的最佳削角位置，本申请具体可以采用无边缘削角或边缘削角中的一种对永磁体进行削角，具有两个自由度，在具体削角时通过改变永磁体边缘a、b的值，即可得到不同程度的削角永磁体，也即可以得到多组削角尺寸，即多组a-b的尺寸配合。例如，可以选择25组削角尺寸。
其中，具体可以采用边缘削角的方式(如图2所示)对永磁体进行削角。
S12：通过有限元算法对各组削角尺寸进行仿真分析，得到多组数据样本；其中，每组数据样本包括削角尺寸及与其对应的齿槽转矩值；
具体的，可以通过ANSYS Maxwell 2D对上述多组削角尺寸进行有限元仿真分析，以得到与每组削角尺寸对应的齿槽转矩值，每组削角尺寸及对应的尺寸转矩值构成一组数据样本，从而得到多组数据样本。
S13：采用响应面法对各个数据样本进行拟合分析，得到削角尺寸与齿槽转矩值相关的齿槽转矩函数关系；
需要说明的是，响应面法是考察多个变量因素对响应变量的非线性影响，通过回归方程对试验样本进行拟合，获得因素和响应值之间的函数关系，并根据方差分析来评价拟合效果。
具体的，在采用响应面法对各组数据样本进行拟合分析时，可以将所有的数据样本均作为试样样本，并直接对所有的数据样本进行拟合分析，得到因素与响应值之间的函数关系，其中，因素为削角尺寸，响应值为齿槽转矩值。也可以从所有的数据样本中筛选出一部分数据样本作为试验样本，剩余部分数据样本作为校验样本，并通过响应面法对选出的试验样本进行拟合分析，得到因素与响应值之间的函数关系，然后可以通过校验样本对该函数关系进行拟合评价。
其中，响应面法包括Box-Behnken试验设计法(BBD)、中心复合试验设计法(CCD)等，其中CCD可用非线性二次回归模型对数据进行统计分析，具有适用性广，试验次数少，设计简单等优点，并且本申请中的因素数量为2(也即永磁体的边缘尺寸a和b)，故本申请可以采用中心复合实验设计法对各个数据样本进行拟合分析。当然，在具体拟合分析时也可以采用其他的响应面法，只要能够实现本申请的目的即可。
S14：将齿槽转矩函数关系作为目标函数，并采用最优解算法对目标函数进行寻优求解，得到最优削角尺寸。
需要说明的是，在确定削角尺寸与齿槽转矩值相关的齿槽转矩函数关系后，以该齿槽转矩函数关系为目标函数，以永磁体的削角尺寸a和b为优化变量对该目标函数进行寻优求解，具体可以通过纵横交叉算法依据预设参数对目标函数进行寻优求解，得到最优削角尺寸。
具体的，纵横交叉算法(crisscross optimization algorithm，CSO)是一种基于种群的随机搜索算法，纵横交叉在每次种群进化迭代中分别在横向和纵向产生中庸解，两种算子交替进行，同时在每次交叉运算后引入竞争操作，保留最优的个体粒子进入下次迭代，直至迭代达到最大迭代次数后，得到最终的最优个体粒子。本申请就是基于纵横交叉算法得到最优的一组削角尺寸，也即得到最优的a-b组合，从而得到永磁体的最优削角位置。
其中，在采用纵横交叉算法对目标函数进行寻优时，需要预先进行参数设定，该预设参数包括种群数量、纵向交叉率以及最大进化代数。具体可以在MATLAB中应用CSO算法求取优解。
下面本申请将以一个厚度为6mm、宽度为12mm的12槽10极表贴式永磁同步电机为例进行具体说明，该永磁同步电机的最初齿槽转矩为237.2333mN.M(如图3所示)：
按照不同的a、b值对永磁体进行边缘削角，选取25组削角尺寸，在ANSYS Maxwell2D对该25组削角尺寸进行有限元仿真分析，得到25个相应的齿槽转矩值，具体请参照表1，表1为削角尺寸与齿槽转矩的关系表，其中，仿真分析时的时间设置为6s，即一个周波。
表1
根据有限元仿真分析结果，可以从上述表1中筛选出a＝3、4、5，b＝3、4、5共计9组削角尺寸以及每组对应的齿槽转矩作为后续的试验样本。
采用响应面法(具体为中心复合试验设计法(CCD))对筛选出的试验样本进行拟合分析，得到削角尺寸与齿槽转矩值相关的齿槽转矩函数关系。
其中，CCD设计包括2k个立方试验点、2k个轴向试验点、1个中心试验点，k为试验因素的数量，此处取2个因素(即k＝2)。三类试验点的坐标分别为(±1，±1)；(±α，0)(0，±α)；(0，0)，其中CCD设计的具体布点情况如图4所示。
表2
表3
具体的，按照CCD试验原理选取两个边缘尺寸a、b的因素水平如表2所示。根据试验准则本实施例中的试验次数可以设置为12，具体的CCD试验设计及有限元仿真分析结果如表3所示。
本申请中采用响应面法对各组试验样本进行拟合分析可以通过R语言实现，将上述试验数据导入R语言程序，进行数据统计与分析，可以得到二阶回归方程：
在获得上述拟合模型(即齿槽转矩函数关系)后，采用方差分析对拟合效果进行评价，可以根据概率值P来判断显著性。R语言程序分析结果表明上述拟合模型的P值为1.439×10-6，远小于0.05；相关系数的平方值为R2＝0.9738，大于0.9。可以看出响应值与试验因素之间关系显著，拟合效果良好，具有统计学意义。
进而，为了获得最优的削角尺寸，应用纵横交叉算法对响应面模型进行进一步分析，以响应面法拟合得到的齿槽转矩表达式为目标函数，永磁体边缘尺寸a、b为优化变量，设定种群数量30，纵向交叉率0.8，最大进化代数100，对目标函数进行寻优，优化结果如图5所示，当a＝3.8826，b＝4.4993时，齿槽转矩最小，收敛值为108.2280mN.M。
通过有限元分析对上述优化过的边缘尺寸a＝3.8826，b＝4.4993代入进行分析验证，结果如图6所示，齿槽转矩为102.2778mN.M，与算法求解值108.2280mN.M之间的实验误差为5.82％，在合理范围内。，a＝3.8826，b＝4.4993即为永磁体最佳削角位置。
可见，本申请通过对有限元法对多组削角尺寸进行仿真分析能够得到多个齿槽转矩值，每个齿槽转矩值与相应的削角尺寸构成一组数据样本，从而得到多组数据样本，通过响应面法对多组样本数据进行拟合分析后得到齿槽转矩函数关系，并采用最优解算法对该齿槽转矩函数关系进行寻优，得到一组最优削角尺寸，从而确定永磁体的最优削角位置。本申请在使用过程中计算速度快、且得到的最优削角位置更加准确。
在上述实施例的基础上，本发明实施例相应的提供了一种确定永磁体最佳削角位置的装置，具体请参照图7。该装置包括：
削角模块21，用于采用预设削角方式对永磁体进行削角，得到多组削角尺寸；
有限元仿真模块22，用于通过有限元算法对各组削角尺寸进行仿真分析，得到多组数据样本；其中，每组数据样本包括削角尺寸及与其对应的齿槽转矩值；
响应面模块23，用于采用响应面法对各个数据样本进行拟合分析，得到削角尺寸与齿槽转矩值相关的齿槽转矩函数关系；
寻优模块24，用于将齿槽转矩函数关系作为目标函数，并采用最优解算法对目标函数进行寻优求解，得到最优削角尺寸。
可选的，寻优模块24，具体用于将齿槽转矩函数关系作为目标函数，并通过纵横交叉算法依据预设参数对目标函数进行寻优求解，得到最优削角尺寸。
可选的，响应面模块23，具体用于采用中心复合实验设计法对各个数据样本进行拟合分析，得到削角尺寸与齿槽转矩值相关的齿槽转矩函数关系。
需要说明的是，本发明实施例中所提供的确定永磁体最佳削角位置装置具有与上述实施例中的确定永磁体最佳削角位置方法相同的有益效果，其中，对于本发明实施例中所涉及到的确定永磁体最佳削角位置方法的具体介绍请参照上述实施例，本申请在此不再赘述。
在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种确定永磁体最佳削角位置的设备，其结构示意图如图8所示。该设备包括：
存储器31，用于存储计算机程序；
处理器32，用于执行计算机程序时实现如上述确定永磁体最佳削角位置方法的步骤。
在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种可读存储介质，可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述确定永磁体最佳削角位置的方法的步骤。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种确定永磁体最佳削角位置的方法，其特征在于，包括：
采用预设削角方式对永磁体进行削角，得到多组削角尺寸；
通过有限元算法对各组所述削角尺寸进行仿真分析，得到多组数据样本；其中，每组数据样本包括所述削角尺寸及与其对应的齿槽转矩值；
采用响应面法对各个所述数据样本进行拟合分析，得到削角尺寸与齿槽转矩值相关的齿槽转矩函数关系；
将所述齿槽转矩函数关系作为目标函数，并采用最优解算法对所述目标函数进行寻优求解，得到最优削角尺寸。
2.根据权利要求1所述的确定永磁体最佳削角位置的方法，其特征在于，所述采用最优解算法对所述目标函数进行寻优求解，得到最优削角尺寸的过程为：
通过纵横交叉算法依据预设参数对所述目标函数进行寻优求解，得到最优削角尺寸。
3.根据权利要求2所述的确定永磁体最佳削角位置的方法，其特征在于，所述预设参数包括种群数量、纵向交叉率以及最大进化代数。
4.根据权利要求2所述的确定永磁体最佳削角位置的方法，其特征在于，所述采用响应面法对各个所述数据样本进行拟合分析的过程为：
采用中心复合实验设计法对各个所述数据样本进行拟合分析。
5.根据权利要求4所述的确定永磁体最佳削角位置的方法，其特征在于，所述预设削角方式为边缘削角。
6.一种确定永磁体最佳削角位置的装置，其特征在于，包括：
削角模块，用于采用预设削角方式对永磁体进行削角，得到多组削角尺寸；
有限元仿真模块，用于通过有限元算法对各组所述削角尺寸进行仿真分析，得到多组数据样本；其中，每组数据样本包括所述削角尺寸及与其对应的齿槽转矩值；
响应面模块，用于采用响应面法对各个所述数据样本进行拟合分析，得到削角尺寸与齿槽转矩值相关的齿槽转矩函数关系；
寻优模块，用于将所述齿槽转矩函数关系作为目标函数，并采用最优解算法对所述目标函数进行寻优求解，得到最优削角尺寸。
7.根据权利要求6所述的确定永磁体最佳削角位置的装置，其特征在于，所述寻优模块，具体用于将所述齿槽转矩函数关系作为目标函数，并通过纵横交叉算法依据预设参数对所述目标函数进行寻优求解，得到最优削角尺寸。
8.根据权利要求7所述的确定永磁体最佳削角位置的装置，其特征在于，所述响应面模块，具体用于采用中心复合实验设计法对各个所述数据样本进行拟合分析，得到削角尺寸与齿槽转矩值相关的齿槽转矩函数关系。
9.一种确定永磁体最佳削角位置的设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任意一项所述确定永磁体最佳削角位置方法的步骤。
10.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质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权利要求1至5任意一项所述确定永磁体最佳削角位置的方法的步骤。
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