CN116305642A - 永磁同步电机公差敏感度的分析方法及其装置及计算机可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种永磁同步电机公差敏感度的分析方法及其装置及计算机可读存储介质。该方法包括：获取电机的尺寸参数及多个关键尺寸参数及公差范围；DoE算法设置，参数因子包括多个关键尺寸参数及公差范围，响应参数包括电机输出的性能参数；基于DoE算法来生成样本集合；获取电机的运行工况范围及运行参数；基于尺寸参数、运行工况范围及运行参数来建立电机的有限元模型；基于有限元模型来确定电机关键工作点的电流矢量；基于样本集合及有限元模型生成多个参数化模型；使用关键工作点的电流矢量来分别作为多个参数化模型的输入激励；提取关于性能参数的仿真计算结果；及基于仿真计算结果来进行多个关键尺寸参数对性能参数的敏感度分析。
Description
技术领域
本申请涉及电机加工技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机公差敏感度的分析方法及其装置及计算机可读存储介质。
背景技术
永磁同步电机设计过程中，通常都使用名义值进行设计和计算，而实际的产品加工制造过程中，由于加工设备精度限制，产品的实测值与名义值都有一定偏差。零件在加工中所允许的尺寸、形状和位置等的最大误差变化范围，称为公差。因为实际产品与设计值有偏差，产品实际的性能也会与理论设计值有一定的差别。分析由于加工原因导致尺寸与设计值的偏差值对产品性能的影响大小，就是公差敏感度分析。如果性能差别过大，满足不了产品要求，则就成为了次品甚至废品。减小公差范围，产品与设计值的偏差就更小，但是过小的公差范围会使加工难度和加工成本都有可能大幅提升，产品的竞争力会大幅下降。因此理论设计完成后，在进行加工前，进行合理的公差分析有着非常重要的意义。需要对产品公差进行全面系统的分析，对显著影响产品性能的尺寸公差进行合理优化，提高产品的成本率；对产品性能影响小的公差参数适当放松，减小加工成本。
另外，对于永磁同步电机，影响其性能的尺寸参数数量较多，总的尺寸参数会在20个以上。如果采用传统的全参数扫描法，选取例如15个参数做敏感性分析，且每个参数仅取两个值，那么样本量将超过3万个，这个计算量巨大，无法满足工程时间和计算资源上的需求。
永磁同步电机由于其效率高、运行转速范围广，优秀的可控制性应用越来越广泛，如伺服系统、机电传动系统、新能源汽车等。永磁同步电机作为机电系统中的核心驱动设备，提供传动系统动力，其性能好坏直接影响系统的整体性能。作为大规模使用的产品，产品成本对其竞争力也有着至关重要的影响。因此，在理论设计完成后，对产品加工环节针对公差尺寸做敏感度分析，合理选择加工公差范围具有非常重要的意义。
发明内容
本申请的目的在于提供一种永磁同步电机公差敏感度的分析方法及其装置及计算机可读存储介质，能够解决现有技术中所存在的至少一个问题。
本申请的一个方面提供一种永磁同步电机公差敏感度的分析方法。所述分析方法包括：
获取永磁同步电机的尺寸参数；
从所述尺寸参数中确定并获取需要分析的多个关键尺寸参数及其公差范围；
设置DoE算法的参数因子、响应参数及所述响应参数的优化目标函数，其中，所述参数因子包括所述多个关键尺寸参数及其公差范围，所述响应参数包括所述永磁同步电机输出的性能参数；
基于所述DoE算法的所述参数因子、所述响应参数及所述优化目标函数来生成优化的样本集合，所述样本集合包括所述参数因子的多种组合；
获取所述永磁同步电机的运行工况范围及其运行参数；
基于所述永磁同步电机的所述尺寸参数、所述运行工况范围及其运行参数来建立所述永磁同步电机的有限元模型；
基于所述永磁同步电机的有限元模型来确定所述永磁同步电机关键工作点的电流矢量；
基于所述样本集合及所述有限元模型生成多个参数化模型；
使用所述关键工作点的电流矢量来分别作为所述多个参数化模型的输入激励；
提取所述多个参数化模型输出的关于所述性能参数的仿真计算结果；以及
基于所述性能参数的仿真计算结果来进行所述多个关键尺寸参数对所述永磁同步电机的所述性能参数的敏感度分析。
进一步地，所述基于所述永磁同步电机的有限元模型来确定所述永磁同步电机关键工作点的电流矢量包括：
利用所述永磁同步电机的有限元模型进行快速扫描提取其d-q坐标系下的dq模型；及
基于所述dq模型来确定所述永磁同步电机关键工作点的电流矢量。
进一步地，所述利用所述永磁同步电机的有限元模型进行快速扫描提取其d-q坐标系下的dq模型包括：
利用所述永磁同步电机的有限元模型进行快速扫描确定所述永磁同步电机在所述关键工作点下的所述dq模型中的定子电枢电阻、d-q坐标系下的d轴电感、d-q坐标系下的q轴电感及永磁磁链，其中，所述定子电枢电阻、所述d轴电感、所述q轴电感及所述永磁磁链随所述永磁同步电机不同工作点下的温度、电流和转速而变化。
进一步地，所述基于所述dq模型来确定所述永磁同步电机关键工作点的电流矢量包括：
使用所述dq模型，根据所述永磁同步电机关键工作点的转速、转矩输出、电压限制和预定的电机控制算法来计算获得所述永磁同步电机关键工作点的电流矢量。
进一步地，所述电机控制算法包括id＝0的矢量控制、cosΨ＝1的矢量控制、MTPA控制或弱磁控制。
进一步地，所述基于所述性能参数的仿真计算结果来进行所述多个关键尺寸参数对所述永磁同步电机的所述性能参数的敏感度分析包括：
将所述性能参数的仿真计算结果作为所述DoE算法的所述响应参数返回到所述DoE算法中，分析得到所述多个关键尺寸参数及其公差范围对所述性能参数的敏感度。
进一步地，所述分析方法还包括：
基于所述敏感度分析的结果来确定所述多个关键尺寸参数在其所述公差范围内对所述永磁同步电机的所述性能参数的影响。
进一步地，基于所述敏感度分析的结果，应用响应曲面法来计算所述多个关键尺寸参数在其所述公差范围内对所述永磁同步电机的性能参数的影响。
进一步地，根据加工工艺和设备精度来确定所述多个关键尺寸参数的公差范围。
进一步地，所述运行工况范围包括转速-转矩范围，所述运行参数包括母线电压和最大电流。
进一步地，所述多个关键尺寸参数包括定子铁心外径、定子铁心内径、定子轭部厚度、定子齿宽、齿靴厚度、定子齿肩角度、槽开口宽度、转子铁心外径、转子铁心内径、磁肋厚度、隔磁桥厚度、永磁体的厚度、永磁体内径、转子磁桥角度、转子磁极削厚及定转子同心度中的多个。
进一步地，所述性能参数包括输出转矩、输出功率、效率、转速范围、激振力、端电压、热性能中的至少一个。
进一步地，所述性能参数包括输出转矩，所述优化目标函数包括转矩最大化函数。
进一步地，所述DoE算法采用优化部分因子算法。
本申请的另一个方面提供一种永磁同步电机公差敏感度的分析装置。所述分析装置包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的永磁同步电机公差敏感度的分析方法。
本申请的又一个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序。所述程序被处理器执行时实现如上所述的永磁同步电机公差敏感度的分析方法。
本申请实施例的有益技术效果主要表现在：
本申请通过对永磁同步电机公差进行全面系统的分析，能够对永磁同步电机的公差尺寸做出敏感度分析，能够对显著影响永磁同步电机性能参数的尺寸公差进行合理的优化，从而可以提高产品的成本率，而对永磁同步电机性能影响小的尺寸参数公差能够适当放松，从而能够在保证永磁同步电机产品成品率的前提下，有效控制永磁同步电机产品的成本。
本申请通过采用DoE优化算法，生成能够代表求解空间的少量样本量，在保证较高准确性的前提下，满足快速分析计算的需求。
附图说明
图1为本申请一个实施例的永磁同步电机公差敏感度的分析方法的流程图。
图2为本申请一个实施例的永磁同步电机的关键尺寸参数示意图。
图3为本申请一个实施例的永磁同步电机公差敏感度分析的结果示意图。
图4为本申请一个实施例的采用响应曲面法获得的永磁同步电机响应表面处理后的响应空间图。
图5为本申请一个实施例的永磁同步电机公差敏感度的分析装置的示意性框图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施例并不代表与本申请相一致的所有实施例。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。
在本申请实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
本申请实施例提供了一种永磁同步电机公差敏感度的分析方法。图1揭示了本申请一个实施例的永磁同步电机公差敏感度的分析方法的流程图。如图1所示，本申请一个实施例的永磁同步电机公差敏感度的分析方法可以包括以下步骤S11至步骤S19。
在步骤S11中，获取永磁同步电机的尺寸参数，从尺寸参数中确定并获取需要分析的多个关键尺寸参数及其公差范围。
可以按照永磁同步电机的产品设计来获取永磁同步电机的尺寸参数。可以根据加工工艺和设备精度来确定多个关键尺寸参数的公差范围。
图2揭示了本申请一个实施例的永磁同步电机的关键尺寸参数示意图，以下表1揭示了本申请一个实施例的永磁同步电机分析的关键尺寸参数名称与其英文标识对照表。如图2并配合参照表1所示，在一些实施例中，永磁同步电机的多个关键尺寸参数例如可以包括但不限于定子铁心外径、定子铁心内径、定子轭部厚度、定子齿宽、齿靴厚度、定子齿肩角度、槽开口宽度、转子铁心外径、转子铁心内径、磁肋厚度、隔磁桥厚度、永磁体厚度、永磁体内径、转子隔磁桥角度、转子磁极削厚及定转子同心度中的多个。
表1
在步骤S12中，获取永磁同步电机的运行工况范围及其运行参数。
在一些实施例中，运行工况范围包括转速-转矩范围，运行参数包括母线电压和最大电流。
在步骤S13中，对DoE(Design of Experiment)算法进行设置。
对DoE算法进行设置包括设置DoE算法的参数因子、响应参数及响应参数的优化目标函数。
参数因子设置：将步骤S11中确定的永磁同步电机需要分析的多个关键尺寸参数及其公差范围设定为DoE算法的参数因子。因此，DoE算法的参数因子包括多个关键尺寸参数(例如，上述16个尺寸参数)及其公差范围。
响应参数设置：根据需要分析的永磁同步电机输出的性能参数设置为DoE算法的响应参数。因此，响应参数包括永磁同步电机输出的性能参数。
在一些实施例中，需要分析的永磁同步电机输出的性能参数例如可以包括但不限于输出转矩、输出功率、效率、转速范围、激振力、端电压、热性能中的至少一个。在申请的一个实施例中，永磁同步电机的性能参数例如可以为输出转矩。
优化目标函数设置：设置使得响应参数优化的目标函数。例如，在本实施例中，对于永磁同步电机的性能参数为输出转矩的情况下，则可以分析永磁同步电机的输出转矩使能大于等于设计转矩，故选取优化目标函数为转矩最大化函数。
在步骤S14中，基于步骤S13设置的DoE算法的参数因子、响应参数及优化目标函数来生成优化的样本集合，其中，样本集合包括参数因子的多种组合。
在一些实施例中，DoE算法采用优化部分因子算法。例如，16个关键尺寸参数即有16个参数因子，16个参数因子可以生成300个具有典型代表性的样本组合。而对于现有的全因子法，若每个参数因子只取2个值，则样本量为216＝65536个。采用这种部分因子算法，相对于全因子法，其样本量可以小2个数量级，可以大大降低分析计算的过程。
在步骤S15中，基于步骤S11获得的永磁同步电机的尺寸参数、步骤S12中获取的永磁同步电机的运行工况范围及其运行参数来建立永磁同步电机的有限元模型。
在步骤S16中，基于步骤15中建立的永磁同步电机的有限元模型来确定永磁同步电机关键工作点的电流矢量。
在一些实施例中，步骤S16的基于永磁同步电机的有限元模型来确定永磁同步电机关键工作点的电流矢量可以进一步包括步骤S161和步骤S162。
在步骤S161中，利用步骤15中建立的永磁同步电机的有限元模型进行快速扫描提取其d-q坐标系下的dq模型。
dq模型的数学表达式如下所示；
其中，ud、ud、id、iq分别为永磁同步电机dq模型中的d轴电压、q轴电压、d轴电流和q轴电流，Ld、Lq、
分别为d轴电感、q轴电感和永磁磁链，Ra为定子电枢电阻，ω为转速，p为极数，Te为输出转矩。
其中，定子电枢电阻Ra、d轴电感Ld、q轴电感Lq及永磁磁链
的值随永磁同步电机不同工作点下的温度、电流、转速而变化，因此，需要利用永磁同步电机的有限元模型进行快速扫描确定永磁同步电机在关键工作点下的dq模型中的定子电枢电阻、d-q坐标系下的d轴电感、d-q坐标系下的q轴电感及永磁磁链。
在步骤S162中，基于步骤162中获取的永磁同步电机的dq模型来确定永磁同步电机关键工作点的电流矢量。
使用dq模型，根据永磁同步电机关键工作点的转速、转矩输出、电压限制和预定的电机控制算法来计算获得永磁同步电机关键工作点的电流矢量，即d轴电流id和q轴电流iq，作为有限元模型的输入激励。
在一些实施例中，预定的电机控制算法例如可以包括但不限于id＝0的矢量控制、cosΨ＝1的矢量控制，MTPA(Maximum Torque-per-Ampere，最大转矩电流比)控制或弱磁控制等主流控制算法，能够适用于不同领域的永磁同步产品的分析。
在步骤S17中，基于步骤S14中生成的样本集合及步骤S15建立的有限元模型生成多个参数化模型，使用步骤S16中确定的关键工作点的电流矢量来分别作为多个参数化模型的输入激励，进行自动化批量化的有限元模型建模，并进行并行有限元分析。
在步骤S18中，提取多个参数化模型输出的关于性能参数的仿真计算结果。
在步骤S19中，基于步骤S18中提取出的性能参数的仿真计算结果来进行多个关键尺寸参数对永磁同步电机的性能参数的敏感度分析。
将永磁同步电机的性能参数的仿真计算结果作为DoE算法的响应参数返回到DoE算法中，分析得到多个关键尺寸参数及其公差范围对性能参数的敏感度。图3揭示了本申请一个实施例的永磁同步电机公差敏感度分析的结果示意图。从图3可以很清楚地得到各个关键尺寸参数对永磁同步电机的输出转矩的敏感度大小。
在一些实施例中，本申请的永磁同步电机公差敏感度的分析方法还可以包括步骤S20。
在步骤S20中，基于步骤S19中得到的敏感度分析的结果来确定多个关键尺寸参数在其公差范围内对永磁同步电机的性能参数的影响。
在一些实施例中，基于敏感度分析的结果，可以应用响应曲面法来计算多个关键尺寸参数在其公差范围内对永磁同步电机的性能参数的影响。图4揭示了本申请一个实施例的采用响应曲面法获得的永磁同步电机响应表面处理后的响应空间图。从图4中能够很直观地看出16个关键尺寸参数在其公差范围内对永磁同步电机的输出转矩的影响，该结果可以用于判断各个关键尺寸参数的公差范围选择是否合理，估算产品的成品率等。
本申请实施例的永磁同步电机公差敏感度的分析方法至少具有以下有益技术效果：
一、本申请通过对永磁同步电机公差进行全面系统的分析，能够对永磁同步电机的公差尺寸做出敏感度分析，能够对显著影响永磁同步电机性能参数的尺寸公差进行合理的优化，从而可以提高产品的成本率，而对永磁同步电机性能影响小的尺寸参数公差能够适当放松，从而能够在保证永磁同步电机产品成品率的前提下，有效控制永磁同步电机产品的成本。
二、本申请通过采用DoE优化算法，生成能够代表求解空间的少量样本量，在保证较高准确性的前提下，满足快速分析计算的需求。
本申请实施例提供了一种永磁同步电机公差敏感度的分析装置200。图5揭示了本申请一个实施例的永磁同步电机公差敏感度的分析装置200的示意性框图。如图5所示，本申请一个实施例的永磁同步电机公差敏感度的分析装置200包括存储器201、处理器202及存储在存储器201上并可在处理器202上运行的程序，处理器202执行程序时实现如上所述的永磁同步电机公差敏感度的分析方法。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序。该程序被处理器202执行时实现如上所述的永磁同步电机公差敏感度的分析方法。
以上对本申请实施例所提供的永磁同步电机公差敏感度的分析方法及其装置及计算机可读存储介质进行了详细的介绍。本文中应用了具体个例对本申请实施例的永磁同步电机公差敏感度的分析方法及其装置及计算机可读存储介质进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的核心思想，并不用以限制本申请。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请的精神和原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也均应落入本申请所附权利要求书的保护范围内。
Claims (16)
1.一种永磁同步电机公差敏感度的分析方法，其特征在于：包括：
获取永磁同步电机的尺寸参数；
从所述尺寸参数中确定并获取需要分析的多个关键尺寸参数及其公差范围；
设置DoE算法的参数因子、响应参数及所述响应参数的优化目标函数，其中，所述参数因子包括所述多个关键尺寸参数及其公差范围，所述响应参数包括所述永磁同步电机输出的性能参数；
基于所述DoE算法的所述参数因子、所述响应参数及所述优化目标函数来生成优化的样本集合，所述样本集合包括所述参数因子的多种组合；
获取所述永磁同步电机的运行工况范围及其运行参数；
基于所述永磁同步电机的所述尺寸参数、所述运行工况范围及其运行参数来建立所述永磁同步电机的有限元模型；
基于所述永磁同步电机的有限元模型来确定所述永磁同步电机关键工作点的电流矢量；
基于所述样本集合及所述有限元模型生成多个参数化模型；
使用所述关键工作点的电流矢量来分别作为所述多个参数化模型的输入激励；
提取所述多个参数化模型输出的关于所述性能参数的仿真计算结果；以及
基于所述性能参数的仿真计算结果来进行所述多个关键尺寸参数对所述永磁同步电机的所述性能参数的敏感度分析。
2.如权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述基于所述永磁同步电机的有限元模型来确定所述永磁同步电机关键工作点的电流矢量包括：
利用所述永磁同步电机的有限元模型进行快速扫描提取其d-q坐标系下的dq模型；及
基于所述dq模型来确定所述永磁同步电机关键工作点的电流矢量。
3.如权利要求2所述的分析方法，其特征在于：所述利用所述永磁同步电机的有限元模型进行快速扫描提取其d-q坐标系下的dq模型包括：
利用所述永磁同步电机的有限元模型进行快速扫描确定所述永磁同步电机在所述关键工作点下的所述dq模型中的定子电枢电阻、d-q坐标系下的d轴电感、d-q坐标系下的q轴电感及永磁磁链，其中，所述定子电枢电阻、所述d轴电感、所述q轴电感及所述永磁磁链随所述永磁同步电机不同工作点下的温度、电流和转速而变化。
4.如权利要求2所述的分析方法，其特征在于：所述基于所述dq模型来确定所述永磁同步电机关键工作点的电流矢量包括：
使用所述dq模型，根据所述永磁同步电机关键工作点的转速、转矩输出、电压限制和预定的电机控制算法来计算获得所述永磁同步电机关键工作点的电流矢量。
5.如权利要求4所述的分析方法，其特征在于：所述电机控制算法包括id＝0的矢量控制、cosΨ＝1的矢量控制、MTPA控制或弱磁控制。
6.如权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述基于所述性能参数的仿真计算结果来进行所述多个关键尺寸参数对所述永磁同步电机的所述性能参数的敏感度分析包括：
将所述性能参数的仿真计算结果作为所述DoE算法的所述响应参数返回到所述DoE算法中，分析得到所述多个关键尺寸参数及其公差范围对所述性能参数的敏感度。
7.如权利要求1或6所述的分析方法，其特征在于：还包括：
基于所述敏感度分析的结果来确定所述多个关键尺寸参数在其所述公差范围内对所述永磁同步电机的所述性能参数的影响。
8.如权利要求7所述的分析方法，其特征在于：基于所述敏感度分析的结果，应用响应曲面法来计算所述多个关键尺寸参数在其所述公差范围内对所述永磁同步电机的性能参数的影响。
9.如权利要求1所述的分析方法，其特征在于：根据加工工艺和设备精度来确定所述多个关键尺寸参数的公差范围。
10.如权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述运行工况范围包括转速-转矩范围，所述运行参数包括母线电压和最大电流。
11.如权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述多个关键尺寸参数包括定子铁心外径、定子铁心内径、定子轭部厚度、定子齿宽、齿靴厚度、定子齿肩角度、槽开口宽度、转子铁心外径、转子铁心内径、磁肋厚度、隔磁桥厚度、永磁体的厚度、永磁体内径、转子磁桥角度、转子磁极削厚及定转子同心度中的多个。
12.如权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述性能参数包括输出转矩、输出功率、效率、转速范围、激振力、端电压、热性能中的至少一个。
13.如权利要求12所述的分析方法，其特征在于：所述性能参数包括输出转矩，所述优化目标函数包括转矩最大化函数。
14.如权利要求1所述的分析方法，其特征在于：所述DoE算法采用优化部分因子算法。
15.一种永磁同步电机公差敏感度的分析装置，其特征在于：包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-14中任一项所述的永磁同步电机公差敏感度的分析方法。
16.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-14中任一项所述的永磁同步电机公差敏感度的分析方法。
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