CN112989707A - 一种长定子直线电机电磁模型建立方法及装置 - Google Patents

一种长定子直线电机电磁模型建立方法及装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种长定子直线电机电磁模型建立方法及装置，长定子直线电机包括长定子，长定子缠绕有三相电缆；该方法包括：获得多个预设点的磁场场强；根据三相电缆的三相电流、长定子的铁芯的等效电流和多个预设点的空间位置，建立含有未知量的电磁模型；未知量包括等效电流的相位和幅值；根据多个预设点的磁场场强和电磁模型，获得未知量，建立完整的电磁模型。本申请根据三相电流、长定子的铁芯的等效电流和预设点的位置建立含有未知量的电磁模型，并通过预设点的磁场强度求解出未知量，从而可以获得完整的电磁模型。如此，本申请所提供的方案提高了电磁模型建立的效率，减少了建立电磁模型所需的计算量和计算时间。

Description

一种长定子直线电机电磁模型建立方法及装置
技术领域
本申请涉及电磁领域，尤其涉及一种长定子直线电机电磁模型建立方法及装置。
背景技术
长定子直线电机通常应用于磁悬浮列车，给磁悬浮列车提供悬浮力和牵引力。悬浮电磁铁沿列车全长分布，与轨道下方安装的铁磁反应轨(即长定子直线电机的定子铁芯)作用，产生吸引力，使列车悬浮。同时，当缠绕在长定子直线电机的定子上的三相电缆通过三相交变电流时，会产生一个沿线路运动的磁场，这个磁场与车上悬浮电磁铁产生的磁场相互作用，从而产生列车驱动力。
目前，对长定子直线电机的电磁分析可以通过基于电磁场数值计算方法的仿真软件实现建模。但通过仿真模型进行数值计算建模的效率较低，当仿真模型涉及多个电磁辐射源或仿真空间较大时，电磁场数值计算会带来较大的计算量及计算时间。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种长定子直线电机电磁模型建立方法及装置，用于提升长定子直线电机电磁模型的建立效率。
为了实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下：
本申请实施例提供了一种长定子直线电机电磁模型建立方法，所述长定子直线电机包括长定子，所述长定子缠绕有三相电缆，所述方法包括：
获得多个预设点的磁场场强；所述多个预设点位于所述长定子周围不同的空间位置；
根据所述三相电缆的三相电流、所述长定子的铁芯的等效电流和所述多个预设点的空间位置，建立含有未知量的电磁模型；所述未知量包括所述等效电流的相位和幅值；
根据所述多个预设点的磁场场强和所述电磁模型，获得所述未知量，建立完整的电磁模型。
可选地，根据所述多个预设点的磁场场强和所述电磁模型，获得所述未知量，包括：
根据所述多个预设点的磁场场强和所述电磁模型，通过遗传算法获得所述未知量。
可选地，所述方法还包括通过以下方式获得所述等效电流：
将所述长定子的铁芯的表面分为M个网格；所述M为正整数；
将所述M个网格中每个网格内的电流等效为一个网格电流；
根据所述M个网格对应的M个所述网格电流，获得所述等效电流。
可选地，所述根据所述三相电缆的三相电流、所述长定子的铁芯的等效电流和所述多个预设点的空间位置，建立含有未知量的电磁模型，包括：
将所述等效电流和所述三相电流，等效为无数个电流元；
根据所述无数个电流元的电磁感应磁场和所述多个预设点的空间位置，通过积分得到含有未知量的电磁模型。
可选地，所述多个预设点中每个预设点距离所述长定子的侧面预设距离。
可选地，所述方法还包括：
将所述三相电缆中每一个电缆所在的曲线，等效为折线；
所述根据所述三相电缆的三相电流、所述长定子的铁芯的等效电流和所述多个预设点的空间位置，建立含有未知量的电磁模型，包括：
根据所述三相电缆中每一个电缆对应的折线、所述三相电流的电流值、所述长定子的铁芯的等效电流和所述多个预设点的空间位置，建立含有未知量的电磁模型。
本申请实施例还提供了一种长定子直线电机电磁模型建立装置，所述长定子直线电机包括长定子，所述长定子缠绕有三相电缆，所述装置包括：
获得模块，用于获得多个预设点的磁场场强；所述多个预设点位于所述长定子周围不同的空间位置；
第一建立模块，用于根据所述三相电缆的三相电流、所述长定子的铁芯的等效电流和所述多个预设点的空间位置，建立含有未知量的电磁模型；所述未知量包括所述等效电流的相位和幅值；
第二建立模块，用于根据所述多个预设点的磁场场强和所述电磁模型，获得所述未知量，建立完整的电磁模型。
可选地，第二建立模块具体用于：
根据所述多个预设点的磁场场强和所述电磁模型，通过遗传算法获得所述未知量。
可选地，所述装置还包括：
等效电流获得模块，用于将所述长定子的铁芯的表面分为M个网格；所述M为正整数；将所述M个网格中每个网格内的电流等效为一个网格电流；根据所述M个网格对应的M个所述网格电流，获得所述等效电流。
可选地，所述第一建立模块具体用于：
将所述等效电流和所述三相电流，等效为无数个电流元；
根据所述无数个电流元的电磁感应磁场和所述多个预设点的空间位置，通过积分得到含有未知量的电磁模型。
通过上述技术方案可知，本申请具有以下有益效果：
本申请实施例提供了一种长定子直线电机电磁模型建立方法及装置，长定子直线电机包括长定子，长定子缠绕有三相电缆；该方法包括：获得多个预设点的磁场场强；多个预设点位于长定子周围不同的空间位置；根据三相电缆的三相电流、长定子的铁芯的等效电流和多个预设点的空间位置，建立含有未知量的电磁模型；未知量包括等效电流的相位和幅值；根据多个预设点的磁场场强和电磁模型，获得未知量，建立完整的电磁模型。
由此可知，本申请实施例提供的长定子直线电机电磁模型建立方法及装置，通过根据三相电流、长定子的铁芯的等效电流和预设点的位置建立含有未知量的电磁模型，并通过预设点的磁场强度求解出未知量，从而可以获得完整的电磁模型。如此，本申请实施例所提供的方法，通过预设点的磁场强度和含有未知量的电磁模型获得完整的电磁模型，提高了电磁模型建立的效率，减少了建立电磁模型所需的计算量和计算时间。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的一种长定子直线电机电磁模型建立方法流程示意图；
图2为本申请实施例提供的一种含有未知量的电磁模型的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种利用遗传算法计算等效电流的幅值与相位的流程示意图；
图4为本申请实施例提供的一种长定子直线电机电磁模型建立装置结构示意图。
具体实施方式
为了帮助更好地理解本申请实施例提供的方案，在介绍本申请实施例提供的方法之前，先介绍本申请实施例方案的应用的场景。
目前，对长定子直线电机的电磁分析可以通过基于电磁场数值计算方法的仿真软件实现建模。但通过仿真模型进行数值计算建模的效率较低，当仿真模型涉及多个电磁辐射源或仿真空间较大时，电磁场数值计算会带来较大的计算量及计算时间。
为了解决上述的技术问题，本申请实施例提供的长定子直线电机电磁模型建立方法及装置，通过根据三相电流、长定子的铁芯的等效电流和预设点的位置建立含有未知量的电磁模型，并通过预设点的磁场强度求解出未知量，从而可以获得完整的电磁模型。如此，本申请实施例所提供的方法，通过预设点的磁场强度和含有未知量的电磁模型获得完整的电磁模型，提高了电磁模型建立的效率，减少了建立电磁模型所需的计算量和计算时间。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请实施例作进一步详细的说明。
参见图1，该图为本申请实施例提供的一种长定子直线电机电磁模型建立方法流程示意图。如图1所示，本申请实施例提供的长定子直线电机电磁模型建立方法中的长定子直线电机包括长定子，长定子缠绕有三相电缆，该方法包括：
S101：获得多个预设点的磁场场强；多个预设点位于长定子周围不同的空间位置。
S102：根据三相电缆的三相电流、长定子的铁芯的等效电流和多个预设点的空间位置，建立含有未知量的电磁模型；未知量包括等效电流的相位和幅值。
S103：根据多个预设点的磁场场强和电磁模型，获得未知量，建立完整的电磁模型。
可以理解的是，在本申请实施例中，三相电缆的三相电流的空间位置和电流值都可以通过测量获得建模较为容易得到。而等效电流的电流值很难得到，因此本申请实施例所提供的方法，将等效电流的相位和幅值设为未知量建立电磁模型。然后通过获得预设点的磁场场强，求出电磁模型中的未知量。
在本申请实施例中，作为一种可能的实施方式，多个预设点中每个预设点可以距离长定子的侧面预设距离。作为一个示例，预设距离可以为3m或者10m。当然，本申请实施例中的预设距离还可以为其他大于0的数值，本申请实施例在此不做限定。当然，本申请实施例中的多个预设点也可以距离长定子的侧面不同的距离，本申请实施例在此不做限定。
在本申请实施例中，在建立含有未知量的电磁模型时，由于同步电机速度v与长定子绕组的工作频率f的关系为：
v＝2fτ (1)
因此，当磁浮列车速度达到100km/h时，长定子绕组功率模块输出频率为55Hz；当列车速度达到600km/h时，功率模块输出频率为323Hz。由于长定子直线同步电机驱动列车正常运行的速度范围通常为100km/h～600km/h，相应的，长定子绕组的工作频率范围通常为55Hz～323Hz，此频率范围对应的波长λ为9.29×105～5.45×106m。长定子直线同步电机的长定子段，其长度远远小于λ，因此，在本申请实施例中，为了提高电磁模型建立的效率，减少建立电磁模型所需的计算量和计算时间，对于等效模型中电流连续的任意线段，可以忽略其线段上各点间的相位差。
在本申请实施例中，为了进一步提高电磁模型建立的效率，减少建立电磁模型所需的计算量和计算时间，作为一种可能的实施方式，可以将三相电缆中每一个电缆所在的曲线，等效为折线。相应地，本申请实施例中，根据三相电缆的三相电流、长定子的铁芯的等效电流和多个预设点的空间位置，建立含有未知量的电磁模型，包括：根据三相电缆中每一个电缆对应的折线、三相电流的电流值、长定子的铁芯的等效电流和多个预设点的空间位置，建立含有未知量的电磁模型。
下面通过一个实施例介绍本申请中，根据三相电流、长定子的铁芯的等效电流和多个预设点的空间位置，建立含有未知量的电磁模型的一种可能的实施方式：
参见图2，该图为本申请实施例提供的一种含有未知量的电磁模型的示意图。如图2所示，本申请实施例中的含有未知量的电磁模型包括：三相电缆的三相电流(IA、IB和IC)和长定子的铁芯的等效电流。
由于本申请实施可以忽略电流连续的任意线段上各点间的相位差，作为一种可能的实施方式，本申请实施中的三相电流(IA、IB和IC)，可以分别表示为：
Figure BDA0003008471520000061
其中，I为三相电流的电流值，ω可以根据三相电流的周期获得。
在本申请实施例中，为了精准地获得长定子的铁芯的等效电流，可以将长定子的铁芯的表面分为M个网格；M为正整数；将M个网格中每个网格内的电流等效为一个网格电流；根据M个网格对应的M个网格电流，获得等效电流。需要说明的是，等效电流的电磁感应磁场与M个网格电流的电磁感应叠加而成的磁场相同。具体地，在本申请实施例中，可以将长定子的铁芯的表面的第m(m为1至M中任意一个数值)个网格等效为一个电流幅值为Am，相位为φm的电流Im：
Figure BDA0003008471520000071
其中，ω可以根据长定子的铁芯的等效电流的周期获得。
在本申请实施例中，为了准确的获得电磁模型，作为一种可能的实施方式，根据三相电缆的三相电流、长定子的铁芯的等效电流和多个预设点的空间位置，建立含有未知量的电磁模型，可以包括：将等效电流和三相电流，等效为无数个电流元；根据无数个电流元的电磁感应磁场和多个预设点的空间位置，通过积分得到含有未知量的电磁模型。
在本申请实施例中，将三相电流和等效电流看作为由无数电流元组成，则模型的辐射发射特性可通过先求解各电流元辐射发射值后再进行积分运算求解。对于电流为I、长度为dl电流元，其在与其空间相对距离为r处的一点产生的磁感应强度dB为：
Figure BDA0003008471520000072
因此，对于预设点Pn的空间位置处的长定子直线同步电机磁场辐射发射为定子线缆及网格线模型在此处的磁感应强度的叠加：
Figure BDA0003008471520000073
上式中，在长定子直线同步电机等效模型结构及定子线缆电流确定的情况下，模型在Pn点处的磁感应强度Bn为关于定子铁芯网格模型中各网格线段电流Im的数学表达式，即各网格线段的电流幅值Am与相位φm的数学表达式。在本申请实施例中，本申请所提供的方法还获得了预设点Pn的磁场感应强度B′n。作为一种可能的实施方式，可以根据数值仿真得到的磁感应强度B′n。
根据本申请中含有未知量的电磁模型和多个预设点的空间位置计算得到的含有未知量的多个预设点的场强Bn，和多个预设点的场强B′ n可以求解未知量等效电流的幅值Am与相位φm。为了求解未知量，作为一种可能的实施方式，可以构建如下目标函数：
Figure BDA0003008471520000074
则幅值Am与相位
Figure BDA0003008471520000075
的数学问题可用以下多目标优化数学模型描述：
Figure BDA0003008471520000076
在本申请实施例中，作为一种可能的实施方式，根据多个预设点的磁场场强和电磁模型，获得未知量，包括：根据多个预设点的磁场场强和电磁模型，通过遗传算法获得未知量。
参见图3，该图为本申请实施例提供的一种利用遗传算法计算等效电流的幅值与相位的流程示意图。如图3所示，首先通过一定的编码机制将对象抽象为由特定符号按一定顺序排列成的串，随机产生一组由幅值Am和相位φm初始个体构成的初始种群(等效电流)。计算各个体的适应度函数值(适应度函数可以根据实际计算的情况取得)，适应度函数值越大，解的质量越好。通过判断是否满足算法的收敛准则，决定输出搜索结果或进行下一步操作。
不满足算法收敛准则时，根据适配值大小以一定的方式执行复制操作。适配值越高，个体被遗传到下一代群体中的概率越大；适配值越低，被遗传到下一代群体中的概率越小。根据轮盘赌选择方法，首先计算群体中所有个体的适应度函数值，利用比例选择算子的公式，计算每个个体被选中遗传到下一代群体的概率，之后采用模拟轮盘赌操作，即生成0到1之间的随机数与每个个体遗传到下一代群体的概率进行匹配，来确定各个体石头遗传到下一代群体中。
依据交叉概率Pc对两个相互配对的编码串中某些基因值进行交换，从而形成两个新的编码串。再依据变异概率Pm将个体编码串中的某些基因值用其他基因值来替换，从而形成一个新的编码串。通过交叉运算及变异运算的相互配合，共同完成对搜索空间的全局搜索和局部搜索。
通过对以上几个步骤的循环，可以得到最终搜索结果，即目标函数的求解结果Am和φm，从而可以得到完整的电磁模型。
综上所述，本申请实施例提供的长定子直线电机电磁模型建立方法，通过根据三相电流、长定子的铁芯的等效电流和预设点的位置建立含有未知量的电磁模型，并通过预设点的磁场强度求解出未知量，从而可以获得完整的电磁模型。如此，本申请实施例所提供的方法，通过预设点的磁场强度和含有未知量的电磁模型获得完整的电磁模型，提高了电磁模型建立的效率，减少了建立电磁模型所需的计算量和计算时间。
根据上述的实施例提供的长定子直线电机电磁模型建立方法，本申请实施例还提供了一种长定子直线电机电磁模型建立装置。
参见图4，该图为本申请实施例提供的一种长定子直线电机电磁模型建立装置结构示意图。如图4所示，长定子直线电机包括长定子，长定子缠绕有三相电缆，该装置包括：
获得模块100，用于获得多个预设点的磁场场强；多个预设点位于长定子周围不同的空间位置。
第一建立模块200，用于根据三相电缆的三相电流、长定子的铁芯的等效电流和多个预设点的空间位置，建立含有未知量的电磁模型；未知量包括等效电流的相位和幅值。
第二建立模块300，用于根据多个预设点的磁场场强和电磁模型，获得未知量，建立完整的电磁模型。
在本申请实施例中，作为一种可能的实施方式，第二建立模块具体用于：根据多个预设点的磁场场强和电磁模型，通过遗传算法获得未知量。
作为一种可能的实施方式，在本申请实施例中，长定子直线电机电磁模型建立装置还包括：等效电流获得模块，用于将长定子的铁芯的表面分为M个网格；M为正整数；将M个网格中每个网格内的电流等效为一个网格电流；根据M个网格对应的M个网格电流，获得等效电流。
作为一种可能的实施方式，在本申请实施例中，第一建立模块具体用于：将等效电流和三相电流，等效为无数个电流元；根据无数个电流元的电磁感应磁场和多个预设点的空间位置，通过积分得到含有未知量的电磁模型。
综上所述，本申请实施例提供的长定子直线电机电磁模型建立装置，通过根据三相电流、长定子的铁芯的等效电流和预设点的位置建立含有未知量的电磁模型，并通过预设点的磁场强度求解出未知量，从而可以获得完整的电磁模型。如此，本申请实施例所提供的装置，通过预设点的磁场强度和含有未知量的电磁模型获得完整的电磁模型，提高了电磁模型建立的效率，减少了建立电磁模型所需的计算量和计算时间。
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法中的全部或部分步骤可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者诸如媒体网关等网络通信设备，等等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
需要说明的是，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。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，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申请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申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请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)

1.一种长定子直线电机电磁模型建立方法，其特征在于，所述长定子直线电机包括长定子，所述长定子缠绕有三相电缆，所述方法包括：
获得多个预设点的磁场场强；所述多个预设点位于所述长定子周围不同的空间位置；
根据所述三相电缆的三相电流、所述长定子的铁芯的等效电流和所述多个预设点的空间位置，建立含有未知量的电磁模型；所述未知量包括所述等效电流的相位和幅值；
根据所述多个预设点的磁场场强和所述电磁模型，获得所述未知量，建立完整的电磁模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述多个预设点的磁场场强和所述电磁模型，获得所述未知量，包括：
根据所述多个预设点的磁场场强和所述电磁模型，通过遗传算法获得所述未知量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过以下方式获得所述等效电流：
将所述长定子的铁芯的表面分为M个网格；所述M为正整数；
将所述M个网格中每个网格内的电流等效为一个网格电流；
根据所述M个网格对应的M个所述网格电流，获得所述等效电流。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述三相电缆的三相电流、所述长定子的铁芯的等效电流和所述多个预设点的空间位置，建立含有未知量的电磁模型，包括：
将所述等效电流和所述三相电流，等效为无数个电流元；
根据所述无数个电流元的电磁感应磁场和所述多个预设点的空间位置，通过积分得到含有未知量的电磁模型。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个预设点中每个预设点距离所述长定子的侧面预设距离。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将所述三相电缆中每一个电缆所在的曲线，等效为折线；
所述根据所述三相电缆的三相电流、所述长定子的铁芯的等效电流和所述多个预设点的空间位置，建立含有未知量的电磁模型，包括：
根据所述三相电缆中每一个电缆对应的折线、所述三相电流的电流值、所述长定子的铁芯的等效电流和所述多个预设点的空间位置，建立含有未知量的电磁模型。
7.一种长定子直线电机电磁模型建立装置，其特征在于，所述长定子直线电机包括长定子，所述长定子缠绕有三相电缆，所述装置包括：
获得模块，用于获得多个预设点的磁场场强；所述多个预设点位于所述长定子周围不同的空间位置；
第一建立模块，用于根据所述三相电缆的三相电流、所述长定子的铁芯的等效电流和所述多个预设点的空间位置，建立含有未知量的电磁模型；所述未知量包括所述等效电流的相位和幅值；
第二建立模块，用于根据所述多个预设点的磁场场强和所述电磁模型，获得所述未知量，建立完整的电磁模型。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，第二建立模块具体用于：
根据所述多个预设点的磁场场强和所述电磁模型，通过遗传算法获得所述未知量。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
等效电流获得模块，用于将所述长定子的铁芯的表面分为M个网格；所述M为正整数；将所述M个网格中每个网格内的电流等效为一个网格电流；根据所述M个网格对应的M个所述网格电流，获得所述等效电流。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述第一建立模块具体用于：
将所述等效电流和所述三相电流，等效为无数个电流元；
根据所述无数个电流元的电磁感应磁场和所述多个预设点的空间位置，通过积分得到含有未知量的电磁模型。
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