一种同轴磁性齿轮的定子铁心的形状优化方法技术

本发明专利技术涉及一种同轴磁性齿轮的定子铁心的形状优化方法，属于传动装置技术领域，本发明专利技术的方法结合两种磁场和结构场的耦合仿真，基于响应面和遗传算法对同轴磁性齿轮的定子铁心的形状进行优化，为磁性齿轮定子铁心形状参数优化提供一种简洁、高效且误差小的方法。高效且误差小的方法。高效且误差小的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种同轴磁性齿轮的定子铁心的形状优化方法


[0001]本专利技术属于传动装置
，具体涉及一种同轴磁性齿轮的定子铁心的形状优化方法。

技术介绍

[0002]同轴磁性齿轮作为一种能够提供不接触变速传动功能的新型磁性机构，具有高功率密度、低振动噪声、过载保护等优点。同轴磁性齿轮产生工作转矩的关键因素在于调磁环的磁场调制效应，该效应与定子铁心的形状参数之间存在直接联系。通过优化同轴磁性齿轮的定子铁心的形状可以增强调磁环产生有效磁场谐波的能力，从而提高同轴磁性齿轮的转矩密度。
[0003]现有技术中通常采用相对磁导函数作为调制系数来表征齿槽对磁场的影响。这种方法可以很好地求解出气隙磁通密度的径向分量，却无法得出其切向分量；采用相对复磁导函数来求解气隙磁通密度的切向分量，但依然存在较大的误差；利用保角变换推导相对磁导函数时，由于转子永磁磁极与齿槽相对位置对磁场分布的影响，当齿槽宽度较大时，这种方法会带来较大的误差。

技术实现思路

[0004]鉴于上述分析，专利技术提供了一种同轴磁性齿轮的定子铁心的形状优化方法，该方法结合两种物理场的耦合仿真，基于响应面和遗传算法对同轴磁性齿轮的定子铁心的形状进行优化，为磁性齿轮定子铁心形状参数优化提供一种简洁、高效且误差小的方法。
[0005]本专利技术的一种同轴磁性齿轮的定子铁心的形状优化方法，具体包括以下步骤：
[0006]步骤1：确定同轴磁性齿轮的定子铁心的待优化形状参数及其数目K；
[0007]步骤2：获取位于优化设计变量空间表面区域的N
sample
个定子铁心样本；获取每个定子铁心样本的待优化形状参数值；
[0008]步骤3：对获取的所有定子铁心样本进行磁场和结构场仿真，获得每个定子铁心样本的仿真最大结构变形量；
[0009]步骤4：构造定子铁心的最大结构变形量的目标函数；
[0010]定子铁心的最大结构变形量D的目标函数的表达式为：
[0011]Y(D)＝f(X1,X2,...,X
k
)；(1)
[0012]其中，X
k
为定子铁心样本的第k个待优化形状参数，k＝1,2,
…
,K；
[0013]取最大结构变形量的倒数L的目标函数作为定子铁心的最大结构变形量D的目标函数，表达式为：
[0014]Y(L)＝f(X1,X2,...,X
k
)；(2)
[0015]步骤5：构造约束条件；
[0016]步骤6：基于步骤3获取的N
sample
个定子铁心样本的待优化形状参数值和仿真最大结构变形量，使用二阶多元函数拟合定子铁心的最大结构变形量的倒数与定子铁心的待优
化形状参数的关系函数；
[0017]利用二阶函数对最大结构变形量的倒数L的目标函数进行拟合，二阶函数的表达式为：
[0018][0019]其中，β0为二阶多元函数的截距；β
i
为定子铁心的第i个待优化形状参数的系数；β
ij
为定子铁心的第i个和第j个待优化参数的乘积的系数；x
i
为定子铁心的第i个待优化形状参数，x
j
为定子铁心的第j个待优化形状参数，i，j＝1,2,
…
,K；ε为随机误差；
[0020]通过最小二乘法对回归系数矩阵β进行估计，表达式为：
[0021][0022]其中，β为二阶多元函数的截距β0、定子铁心的第i个待优化形状参数的系数β
i
和的定子铁心的第i个和第j个待优化参数的乘积的系数β
ij
构成回归系数矩阵；为经过最小二乘法计算后的回归系数矩阵β；X为待优化形状参数向量；
[0023]获得最大结构变形量的倒数向量与待优化形状参数向量X之间的拟合关系，表达式为：
[0024][0025]将每个定子铁心样本的待优化形状参数仿真值和仿真最大结构变形量代入式(3)～式(5)，拟合获得定子铁心的最大结构变形量的倒数与定子铁心的待优化形状参数的关系函数Y(L)＝f(X)；
[0026]步骤7：基于定子铁心的最大结构变形量的倒数与定子铁心的待优化形状参数的关系函数和约束条件，构建最小化定子铁心的最大结构变形量的最优形状优化问题；
[0027]步骤8：运用遗传算法对定子铁心的最大结构变形量的最优形状优化问题进行求解获得定子铁心最大结构变形量的最小值时对应的定子铁心的待优化参数的最优值。
[0028]可选地，待优化形状参数的种类包括内周向角θ
in
、外周向角θ
out
和径向长度h；同轴磁性齿轮的定子铁心的待优化形状参数的数目k＝3。
[0029]可选地，内周向角θ
in
大于外周向角θ
out
。
[0030]可选地，步骤2中确定样本个数N
sample
的表达式为：N
sample
＝2
K
+2K+1。
[0031]可选地，步骤2中获得每个定子铁心样本的待优化形状参数值包括待优化形状参数的初始值矩阵、最大值矩阵和最小值矩阵，将每个定子铁心样本的待优化形状参数的初始值矩阵中的初始值置换为初值置换值0、待优化形状参数的最大值矩阵中的最大值置换为最大置换值1和待优化形状参数的最小值矩阵中的最小值置换为最小置换值
‑
1；将每个定子铁心样本的初值置换值0、最大置换值1和最小置换值
‑
1输入有限元仿真模型中获得每个定子铁心样本的仿真最大结构变形量。
[0032]可选地，步骤5中的约束条件为：同轴磁性齿轮的外转子的尺寸不变、同轴磁性齿轮的内气隙和外气隙的厚度不变、同轴磁性齿轮的内转子永磁体和外转子永磁体数量不变、同轴磁性齿轮的优化后峰值转矩不低于仿真峰值转矩。
[0033]与现有技术相比，本专利技术至少具有如下有益效果：
[0034](1)本专利技术的方法结合两种物理场的耦合仿真，响应面和多目标遗传算法技术，使得能够用较少的实验次数就能获得多目标模型，能够高效求解多目标优化问题。
[0035](2)本专利技术的方法能够分析定子铁心结构变形量及非均匀气隙对结构稳定性的影响，适应面宽、快速易行，且精度高等特点。
附图说明
[0036]附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。
[0037]图1为本专利技术的同轴磁性齿轮的结构示意图；
[0038]图2为本专利技术的方法的定子铁心的形状示意图；
[0039]图3为本专利技术的方法中的遗传算法寻优过程及改进后的同轴磁性齿轮有限元模型；
[0040]图4为本专利技术的方法的流程图。
[0041]附图标记：
[0042]1.内转子、2.内转子永磁体、3.保护壳、4.外转子、5.外转子永磁体、6、定子铁心、7.内气隙、8.外气隙。
具体实施方式
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种同轴磁性齿轮的定子铁心的形状优化方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1：确定同轴磁性齿轮的定子铁心的待优化形状参数及其数目K；步骤2：获取位于优化设计变量空间表面区域的N
sample
个定子铁心样本；获取每个定子铁心样本的待优化形状参数值；步骤3：对获取的所有定子铁心样本进行磁场和结构场仿真，获得每个定子铁心样本的仿真最大结构变形量；步骤4：构造定子铁心的最大结构变形量的目标函数；定子铁心的最大结构变形量D的目标函数的表达式为：Y(D)＝f(X1,X2,...,X
k
)；(1)其中，X
k
为定子铁心样本的第k个待优化形状参数，k＝1,2,
…
,K；取最大结构变形量的倒数L的目标函数作为定子铁心的最大结构变形量D的目标函数，表达式为：Y(L)＝f(X1,X2,...,X
k
)；(2)步骤5：构造约束条件；步骤6：基于步骤3获取的N
sample
个定子铁心样本的待优化形状参数值和仿真最大结构变形量，使用二阶多元函数拟合定子铁心的最大结构变形量的倒数与定子铁心的待优化形状参数的关系函数；利用二阶函数对最大结构变形量的倒数L的目标函数进行拟合，二阶函数的表达式为：其中，β0为二阶多元函数的截距；β
i
为定子铁心的第i个待优化形状参数的系数；β
ij
为定子铁心的第i个和第j个待优化参数的乘积的系数；x
i
为定子铁心的第i个待优化形状参数，x
j
为定子铁心的第j个待优化形状参数，i，j＝1,2,
…
,K；ε为随机误差；通过最小二乘法对回归系数矩阵β进行估计，表达式为：其中，β为二阶多元函数的截距β0、定子铁心的第i个待优化形状参数的系数β
i
和的定子铁心的第i个和第j个待优化参数的乘积的系数β
ij
构成回归系数矩阵；为经过最小二乘法计算后的回归系数矩阵β；X为待优化形状参数向量；获得最大结构变形量的倒数向量与待优...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫欢松，周煜，黄佳敏，闫啸宇，李雪宇，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司金城南京机电液压工程研究中心，
类型：发明
国别省市：