基于Matlab和Maxwell的直线电机联合优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Matlab和Maxwell的直线电机联合优化设计方法，接口设计

【技术实现步骤摘要】
基于Matlab和Maxwell的直线电机联合优化设计方法


[0001]本专利技术涉及电机设计
，具体涉及一种基于Matlab和Maxwell的直线电机联合优化设计方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。
[0006]为实现上述目的，本专利技术所设计的基于Matlab和Maxwell的直线电机联合优化设计方法，包括以下步骤：
[0007]1)利用Matlab创建与有限元软件Maxwell的接口设计；
[0008]2)设计与电机电磁性能相关的结构变量参数范围；
[0009]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；
[0010]3)利用Matlab在子模块A中实现Maxwell参数化建模；
[0011]4)建立每个结构变量参数对应的涡流场有限元模型；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]进一步地，所述步骤6)的具体过程为：
[0020]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：
[0021]a)电机电磁参数计算：
[0022][0023]其中，L
m
为激磁电感，B
m
为气隙磁密基波幅值，τ为电机极距，h为电机高度，I
m
为电流激励幅值；
[0024][0025]其中，L
ls
为初级漏感，U
m
为空载感应电势幅值；
[0026][0027]其中，L
lr
为次级漏感，m为电机相数，F
emax
为电机轴向电磁推力的最大值；
[0028]R
r
＝2πf(L
m
+L
lr
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0029]其中，R
r
为次级电阻，f为电机最大电磁推力点对应的滑差频率；
[0030][0031]其中，R
s
为直流电阻值，ρ为芯线电阻率，l为单相芯线长度，s为芯线面积。
[0032]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。
[0033]各阶段的运动方程如式(6)-(9)。
[0034]充磁阶段0<t≤t1，运动方程表示为：
[0035][0036]加加速阶段t1<t≤t2，运动方程表示为：
[0037][0038]恒加速阶段t2<t≤t3，运动方程表示为：
[0039][0040]减加速阶段t3<t≤t4，运动方程表示为：
[0041][0042]电磁力方程：
[0043]F
e
(t)＝(M+m)a
m
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0044]其中：
[0045]a(t)、v(t)、x(t)分别为加速度、速度以及位移运动曲线方程；
[0046]J
r
为加加速度；
[0047]a
m
为平均加速度；
[0048]n为力下降系数；
[0049]v0为恒加速阶段转减加速阶段的临界速度；
[0050]M、m为负载和动子质量；
[0051]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。
[0052]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
e
；
②
基于电机电磁力F
e
和动子d轴给定磁链Ψ
rd
，求解出定子d、q轴电流i
sd
、i
sq
和转差角频率ω
s
；
③
基于转差角频率ω
s
和动子速度v求解出供电角频率ω1；
④
基于电流和频率计算出电机d、q轴电压，得到控制器的前馈电压输出以及需求电流；
⑤
基于运动过程中电压、电流，计算发射过程中的能量效率和功率效率。
[0053]进一步地，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Matlab和Maxwell的直线电机联合优化设计方法，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述基于Matlab和Maxwell的直线电机联合优化设计方法，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述基于Matlab和Maxwell的直线电机联合优化设计方法，其特征在于：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。4.根据权利要求1所述基于Matlab和Maxwell的直线电机联合优化设计方法，其特征在于：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。5.根据权利要求1所述基于Matlab和Maxwell的直线电机联合优化设计方法，其特征在于：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。6.根据权利要求1所述基于Matlab和Maxwell的直线电机联合优化设计方法，其特征在于：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
m
为激磁电感，B
m
为气隙磁密基波幅值，τ为电机极距，h为电机高度，I
m
为电流激励幅值；其中，L
ls
为初级漏感，U
m
为空载感应电势幅值；
其中，L
lr
为次级漏感，m为电机相数，F
emax
为电机轴向电磁推力的最大值；R
r
＝2πf(L
m
+L...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩正清，许金，吴延好，李明珂，芮万智，熊又星，孙文，李广波，常永昊，王路，王玉杰，刘柳，黄垂兵，张逸超，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：