基于Matlab和Maxwell的直线电机联合优化设计方法

摘要

本发明公开了一种基于Matlab和Maxwell的直线电机联合优化设计方法，接口设计‑设计结构变量参数范围‑利用Matlab在子模块A中实现Maxwell参数化建模‑建立每个结构变量参数对应的涡流场有限元模型‑利用Maxwell软件进行电机电磁场分析提取空载和堵驻条件下的仿真结果‑主模块载入子模块A中的仿真结果然后创建子模块B，并计算电机电磁性能‑主模块载入电机电磁性能，初步筛选并开展下一个样本的计算。利用Matlab调用Maxwell软件参数化建模，避免了繁琐的建模操作，节省了建模时间成本；仿真数据的自动调用及自动分析，提高了不同样本仿真数据分析方法的一致性，并大大缩短了数据分析的时间成本。

说明书

技术领域

本发明涉及电机设计技术领域，具体涉及一种基于Matlab和Maxwell的直线电机联合优化设计方法。

背景技术

传统的电机电磁设计是通过经验公式开展，但计算精度不高。低频电磁场有限元软件Maxwell凭借功能模块全、计算精度高等优点成为了电机设计人员更好的一种方法，但不可避免的，有限元建模时间成本大，尤其是针对大量样本模型中优选方案。

如图1所示，传统的有限元法计算直线电机电磁性能为：人工根据结构设计参数在Maxwell中建立有限元模型，定义材料属性，加载激励、剖分、求解后手动将仿真数据导出，利用Matlab对数据展开电磁性能分析，并判断是否满足要求。当计算大量样本的电磁性能寻优时，就需要建立相应数量的电磁场模型，并需要手动对所有仿真结果展开分析。不仅操作繁琐，设计时间成本大，而且所有样本的建模和性能分析的一致性低。

目前的设计方法存在不足之处是：(1)不同的两个样本之间建模和数据分析的方法一致性低，且所有操作为人为手动，更加容易出错；(2)有限元软件建模复杂，会消耗设计人员大量的时间。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术的不足，提供一种克服现有手动建模优化方法不足的基于Matlab和Maxwell的直线电机联合优化设计方法。

为实现上述目的，本发明所设计的基于Matlab和Maxwell的直线电机联合优化设计方法，包括以下步骤：

1)利用Matlab创建与有限元软件Maxwell的接口设计；

2)设计与电机电磁性能相关的结构变量参数范围；

根据电机尺寸约束，确定电机结构变量参数，并在主模块中基于Matlab将结构变量参数化；

3)利用Matlab在子模块A中实现Maxwell参数化建模；

4)建立每个结构变量参数对应的涡流场有限元模型；

5)利用Maxwell软件进行电机电磁场分析，提取空载和堵驻条件下的仿真结果；

6)主模块载入将步骤5)子模块A中的仿真结果然后创建子模块B，并在子模块B中计算发射过程中电机电磁性能；

7)主模块载入步骤6)中子模块B的电机电磁性能，根据能源系统的约束条件，初步筛选，并开展下一个样本的计算。

进一步地，所述步骤1)中，基于Matlab面向对象创建与有限元软件Maxwell接口形成主模块。

进一步地，所述步骤3)中，创建一个Maxwell有限元模型，即子模块A，并将其保存在主模块的目录下，在主模块中调用子模块A。

进一步地，所述步骤4)中，在主模块中，基于Matlab编写Maxwell参数化设计语言，实现几何模型建立、激励源、边界条件加载、剖分及仿真工况设置，建立每个结构变量参数对应的涡流场有限元模型。

进一步地，所述步骤5)中，对于某一结构变量参数样本的有限元模型，不考虑动子的涡流效应，提取电磁气隙中心线的气隙磁密分布，并对气隙磁密曲线做傅立叶分析，计算出磁密基波幅值；再考虑动子的涡流效应，计算不同频率下的电磁推力曲线。

进一步地，所述步骤6)的具体过程为：

主模块调用子模块A中的仿真结果，并创建子模块B，并在子模块B中实现电机电磁参数计算、动子运动轨迹设计、发射过程中电机电磁性能计算：

a)电机电磁参数计算：

其中，L

其中，L

其中，L

R

其中，R

其中，R

b)动子加速运动轨迹设计：动子运动轨迹包括充磁阶段、加加速阶段、恒加速阶段、减加速阶段共4个阶段。

各阶段的运动方程如式(6)-(9)。

充磁阶段0

加加速阶段t

恒加速阶段t

减加速阶段t

电磁力方程：

F

其中：

a(t)、v(t)、x(t)分别为加速度、速度以及位移运动曲线方程；

J

a

n为力下降系数；

v

M、m为负载和动子质量；

c)电机电磁性能计算：根据运动曲线中任一时刻的运动量，通过动子磁场定向前提下的直线电机电磁方程，计算前端能源装置的电压输出。

进一步地，所述步骤c)中，具体的求解步骤为：①根据运动曲线中的加速度a，计算出电机输出电磁力F

进一步地，所述步骤7)中，主模块调用子模块B计算得到的电机电磁性能，并在主模块中设置前端能源装置电压、电流约束条件，记录所有满足约束条件的结构参数样本，并通过循环算法开展下一个样本的计算，直到所有样本计算完毕，选择功率效率最高的样本为最终优化结果。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)融合了Matlab在面向对象编程简单、数据分析能力强大的优势与Maxwell有限元精确分析的优势；

(2)利用Matlab调用Maxwell软件参数化建模，避免了繁琐的建模操作，节省了建模时间成本；

(3)利用Matlab对Maxwell仿真数据的自动调用及自动分析，提高了不同样本仿真数据分析方法的一致性，并大大缩短了数据分析的时间成本；

(4)所有流程为全自动化，没有人为干预，没有中间过程出错的可能性，大大提高了结果的准确度。

附图说明

图1为传统的直线电机优化设计方法的流程图。

图2为本发明基于Matlab和Maxwell的直线电机联合优化设计方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示基于Matlab和Maxwell的直线电机联合优化设计方法，包括以下步骤：

1)利用Matlab创建与有限元软件Maxwell的接口设计

基于Matlab面向对象创建与有限元软件Maxwell接口形成主模块；

2)设计与电机电磁性能相关的结构变量参数范围

根据电机尺寸约束，确定电机结构变量参数，如槽宽、槽深、齿距、铁心高度、初级极数、次级厚度、次级长度，并在主模块中基于Matlab将结构变量参数化；

3)利用Matlab在子模块A中实现Maxwell自动参数化建模

创建一个Maxwell有限元模型，即子模块A，并将其保存在主模块的目录下，在主模块中调用子模块A，子模块A实现了在Maxwell中自动参数化建模及提取仿真数据；

4)建立每个结构变量参数对应的涡流场有限元模型

在主模块中，基于Matlab编写Maxwell参数化设计语言(APDL)，实现几何模型建立、激励源、边界条件加载、剖分及仿真工况设置，建立每个结构变量参数对应的涡流场有限元模型；

5)利用Maxwell软件进行电机电磁场分析，提取空载和堵驻条件下的仿真结果

对于某一结构变量参数样本的有限元模型，不考虑动子的涡流效应，提取电磁气隙中心线的气隙磁密分布，并对气隙磁密曲线做傅立叶分析，计算出磁密基波幅值；再考虑动子的涡流效应，计算不同频率下的电磁推力曲线；

6)主模块载入将步骤5)子模块A中的仿真结果然后创建子模块B，并在子模块B中计算发射过程中电机电磁性能

主模块调用子模块A中的仿真结果，并创建子模块B，并在子模块B中实现电机电磁参数计算、动子运动轨迹设计、发射过程中电机电磁性能计算：

a)电机电磁参数计算：

其中，L

其中，L

其中，L

R

其中，R

其中，R

b)动子加速运动轨迹设计：动子运动轨迹包括充磁阶段、加加速阶段、恒加速阶段、减加速阶段共4个阶段。

各阶段的运动方程如式(6)-(9)。

充磁阶段0

加加速阶段t

恒加速阶段t

减加速阶段t

电磁力方程：

F

其中：

a(t)、v(t)、x(t)分别为加速度、速度以及位移运动曲线方程；

J

a

n为力下降系数；

v

M、m为负载和动子质量。

c)电机电磁性能计算：根据运动曲线中任一时刻的运动量(加速度、速度和位移)，通过动子磁场定向前提下的直线电机电磁方程，计算前端能源装置的电压输出，求解过程中忽略了直线电机的电磁暂态，仅考虑机电暂态。

具体的求解步骤为：①根据运动曲线中的加速度a，计算出电机输出电磁力F

7)主模块载入步骤6)中子模块B的电机电磁性能，根据能源系统的约束条件，初步筛选，并开展下一个样本的计算

主模块调用子模块B计算得到的电机电磁性能，并在主模块中设置前端能源装置电压、电流约束条件，记录所有满足约束条件的结构参数样本，并通过循环算法开展下一个样本的计算，直到所有样本计算完毕，选择功率效率最高的样本为最终优化结果。

为不失一般性，也可以通过根据设计要求，给功率效率、能量效率、装置重量等设计目标分配权重系数，综合设计目标寻找出最优样本和计算结果，并记录在excel中。

与传统的直线电机优化设计方法相比，该方法不需要对大量样本手动建模和手动数据分析，实现了直线电机优化设计的自动化，大大缩短了电磁设计周期，提高了电磁性能分析的精确性，为电机的电磁优化设计提供了新的途径。

以上实施仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均为本发明的保护范围之内。