電機結構全參數(shù)對永磁起動電機性能地影響

1、實用標準文案第3章電機結構參數(shù)對永磁起動電機性能的影響建立精確的有限元模型,是工程后期分析電機電磁參數(shù)對電機性能的影響,以及對電極結構進行優(yōu)化的根底.由于電機的性能主要通過電機的輸出特性曲線反映出來,所以通過有限元模型計算出來的輸出特性曲線和樣機實驗測得的輸出特性曲線的比照,是檢驗電機的有限元模型是否精確的最有效方法.本章首先利用ANSOFT的二次開發(fā)水平,實現(xiàn)MATLAB-ANSOFT的聯(lián)合仿真,并通過聯(lián)合仿真繪制出有限元模型的輸出特性曲線,通過與樣機實驗測得的輸出特性曲線的比照來驗證有限元模型的精確性,最后分析電機電磁參數(shù)對電機性能的影響.3.2MATLAB-ANSOFT聯(lián)合仿真平臺電磁場

2、有限元分析軟件ANSOFT是電機設計中最常用的軟件之一38,39,但是ANSOFT瞬態(tài)場仿真分析時,由于仿真條件的設置限制,一次只能獲取電機的一個運行狀態(tài)的輸出結果,所以假設想獲得電機的完整輸出特性曲線,必須在每一次仿真運行結束時,人工修改仿真條件并記錄仿真結果,不僅仿真計算的不連貫,而且需要大量的人工操作.針對此問題,本文提出利用在ANSOFT中錄制腳本文件的方法,然后利用MATLAB強大的程序編輯水平和數(shù)據(jù)處理水平,實現(xiàn)MATLAB與ANSOFT的底層調用,即利用ANSOFT的二次開發(fā)水平,以程序命令代替人工操作,通過MATLAB以后臺形式調用ANSOFT運行并自動保存仿真結果,實現(xiàn)MAT

3、LAB與ANSOFT的聯(lián)合運行.腳本是實現(xiàn)自動化的一種有用工具,腳本之間的調用也是實現(xiàn)MATLAB-ANSOF耿合仿真的途徑.在Maxwell中,從幾何建模、材料屬性定義與分配、劃分網格、設置加載、仿真條件的設定以及設置模型的運動屬性,到求解、后處理、導出數(shù)據(jù)等都可以以腳本文件的形式錄制下來,作為Ansoft與其他專業(yè)軟件的連接接口,其具體腳本錄制是在ANSOFT的主界面中進行設置.在ANSOFT中錄制的腳本文件是用VB編寫的記錄用戶的一系列操作步驟的程序,將其轉換為MATLAB可以識別的C語言編寫的m函數(shù)是實現(xiàn)MATLAB與ANSOFT聯(lián)合運行的關鍵.從腳本文件到m文件命令的變換見表3-1所

4、示.在具體的程序轉換操作中應遵循以下原那么：1)用actxserver()替換CreateObject,例如把SetoAnsoftApp=CreateObject(AnsoftMaxwell.MaxwellScriptInterface)變?yōu)閕Maxwell=actxserver(AnsoftMaxwell.MaxwellScriptInterface);.2)在定義的文件句柄前刪去Sei:,例如把“SetoDesktop=oAnsoftApp.Get.AppDesktop()變換成Desktop=iMaxwell.GetAppDesktop();.3)用Invoke命令對工程進行操作,如將“

5、oEditor.CreateRegularPolyhedron變成invoke(Editor,CreateRegularPolyhedron,.4)將矩陣內的元素都寫進內,例如Array(NAME:CylinderParameters,寫成 NAME:CylinderParameters,5)在仿真結束時,用Delete(iMaxwell)結束Maxwell的操作,此操作只是將Maxwell在Matlab中關閉,并未在Ansoft中刪除.6)將變量、命令均放入單引號內.文檔大全實用標準文案3.3車用永磁起動電機的輸出性能曲線通過有限元模型計算出來的輸出特性曲線和樣機實驗測得的輸出特性曲線的比照

6、,是檢驗電機的有限元模型是否精確的最有效方法.針對起動電機的特點,以及生產廠商內部研究人員的經驗,在點火轉速起動電機最大輸出功率點左側下,電機的輸出轉矩,或者電機的輸出功率到達要求規(guī)定大小,是衡量起動電機出廠合格的根本標準.利用MATLAB-ANSOF耿合仿真,有限元模型計算出來的輸出特性與樣機試驗測得的輸出特性的比照曲線如圖3-1所示.為防止一臺樣機測試的偶然性,圖3-1中樣機的輸出特性值是生產流水線上隨機抽取20臺電機測試結果的平均值,圖3-2為車用永磁起動電機的性能測試試驗臺.需要說明的是,為方便仿真值與實驗值的比照,在圖3-1中,橫坐標所顯示的速度值是經變速器6倍減速之后直接作用在輸出

7、軸上的速度,第二個圖中縱坐標的轉矩值是電機直接輸出的轉矩值,直接作用在輸出軸上的轉矩是此值的六倍.圖3-1中圖1所示的電流為蓄電池輸出的電流值,在實際的車載蓄電池供電時,蓄電池的內阻是隨著溫度的變化而變化的,在做起動電機的性能測試時,給電機兩端施加12V電壓的同時也設置了蓄電池的內阻為14箱,此時忽略了溫度對蓄電池內阻變化的影響.從式2-1可知,蓄電池的輸出電流不僅與電刷壓降、電樞內阻有關系,還與感應電動勢8有關,對此帶有輔助極的永磁起動電機,式2-14已經說明,每極下的氣隙磁通不僅與永磁極的剩磁有關,還與電樞電流,或者說轉速有關系,所以,在轉速較低時,電樞電流比擬大,產生的氣隙磁通也比擬大,

8、根據(jù)式2-2可知Ea值也比擬大,當然,隨著轉速的變化,電機的機械損耗也是影響電流變化的原因,但是與Ea的變化大小相比,機械損耗對電流的影響可以忽略.所以,圖3-1中圖1所示的蓄電池輸出電流與轉速的關系曲線并不是直線,而是隨著電流的增加,斜率逐漸減小的曲線.圖3-1中圖2所示的轉矩和轉速的關系曲線與電流和轉速的關系曲線類似,產生這種結果的原因也相同,都是由于輔助極助磁條增磁的作用.從圖中可以看出,在轉速為1000轉/分鐘時,電機經減速器輸出的轉矩到達12.5牛米,此時也是電機的輸出最大功率點,對一般點火轉速要求在700800轉/分鐘發(fā)動機來講,此電機的輸出性能完全滿足要求.圖3-1中圖3所示電壓

9、與速度的關系曲線和圖3-1中圖4所示的功率與速度關系曲線分別是根據(jù)公式2-1、2-4計算得來,從圖可以看出,電機的最大功率點在轉速為1000轉/分鐘的位置,而發(fā)動機的點火轉速在最大功率點的左側,如果將蓄電池,起動電機,發(fā)動機看做一個限制系統(tǒng)的話,那么這個系統(tǒng)具有“穩(wěn)定性.所以,帶輔助極的永磁起動電機非常適用于汽車發(fā)動機的起動4.3.4電機結構參數(shù)對起動電機性能的影響分析電機結構參數(shù)對起動電機性能的影響不僅為企業(yè)中電機開發(fā)人員根據(jù)用戶對電機性能的要求,對現(xiàn)有電機進行電磁參數(shù)的改良時提供依據(jù),也是工程的內容之一.由于起動電機的定子在安裝時起到固定電機、與車載結構楔合的作用,且定子遠遠大于轉子和永磁

10、體長度,所以定子的長度在合理范圍內變化時,對電機的性能影響可以忽略,所以在分析電機結構參數(shù)對電機的性能影響時,不考慮定子的長度.考慮到現(xiàn)有生產條件的限制,保持電機的轉子不變.對永磁起動電機而言,除了電機制造的工藝,氣隙磁密的大小無疑是影響電機整體性能的關鍵,根據(jù)第二章中電機磁路的分析可知,氣隙寬度8,磁鋼厚度Tp,定子外殼厚度Tsy,永磁極極弧系數(shù)即和輔助極極弧系數(shù)A對電文檔大全實用標準文案機的氣隙磁密均有影響,下面就將這五個電磁參數(shù)對起動電機性能的影響作以分析.3.4.1氣隙寬度對起動電機性能的影響當氣隙寬度太大時,氣隙的漏磁比擬嚴重；當氣隙寬度太小時,雖然漏磁現(xiàn)象得以改善,對電機的制造工藝

11、要求比擬高,且容易出現(xiàn)掃膛.在電機制造工藝允許的情況下,適宜選擇氣隙的大小,對提升電機性能非常重要.分別取氣隙寬度8為0.35mm,0.4mm,0.45mm,0.5mm,0.55mm來探求其大小對電機性能的影響.通過AnsoftMaxwell二維有限元模型仿真計算,得出在轉速n分別為3000轉/分鐘和15000車專/分鐘時的輸出特性分別如表3-2和3-3所示.從表3-2所示的電機性能可知,當電機轉速較低時,隨著氣隙寬度的減小,氣隙平均磁通密度,輸出轉矩和輸出功率隨之增加,而電樞電流隨之減小.隨著氣隙寬度的減小,磁通回路的磁阻減小,氣隙的平均磁密呈現(xiàn)增大趨勢,由于轉速不變,由式(2-2)可知感應

12、電動勢也隨之增加； 又由于蓄電池提供的電壓一定,由式(2-1)可知,蓄電池輸出的電流隨之減小； 然而在轉速較低時,輸出電流很大,此時輔助極的作用非常顯著,且輔助極的導磁材料的磁通已經相當飽和,氣隙磁密對轉矩的影響大于電樞電流,所以盡管電樞電流隨著氣隙寬度的減小而減小,但是其輸出轉矩和輸出功率仍然增加.從表3-3可以看出,在電機轉速較高時,雖然隨著氣隙寬度的減小氣隙的平均磁密增加,但是電機的輸出轉矩和輸出功率卻隨之減小,這是由于此時電機的電樞電流較小,輔助極增磁的作用不明顯,且輔助極內的磁通未到達飽和,電樞電流對輸出轉矩的影響大于氣隙的平均磁密.在轉速較低時氣隙寬度對電樞電流的影響比擬明顯,氣隙

13、寬度越小,電樞電流也越小,可以減小電機內部的銅耗.氣隙平均磁密反映了電機內部鏈過轉子的磁鏈大小,氣隙平均磁密越大,電機內電、磁之間傳遞的能量也越大,但是氣隙平均磁密大并不意味著電機輸出轉矩和輸出功率就會增加.由式(2-3)可知,電機的轉矩常數(shù)有電機本身決定,當電機設計生產出來之后,轉矩常數(shù)就固定不變了,對一個運行的電機而言,輸出轉矩的大小主要取決于每極磁通量和電樞電流,所以單純氣隙平均磁密的增加或者減小并不能決定電機輸出轉矩的增減.式(2-4)顯示,電機的輸出功率取決于電機的轉速和轉矩,當轉速不變時,電機輸出功率的變化趨勢與電機轉矩的變化是一致的.綜上所述,考慮到起動電機點火轉速,氣隙寬度的減

14、小對起動電機的性能是有利的,在高轉速時可以降低電樞電流,減小電機內部銅耗；低轉速時,能夠增大起動電機的輸出轉矩和輸出功率,有利于發(fā)動機的點火.在根據(jù)客戶要求設計電機時,還要根據(jù)現(xiàn)有的生產工藝適宜選擇氣隙寬度,防止一味追求較小的氣隙寬度而增加不必要的生產本錢.3.4.2磁鋼厚度對起動電機性能的影響分別取磁鋼厚度Tp=6.2mm、7.0mm、7.8mm、8.6mm、9.4mm來研究磁鋼厚度對電機性能的影響.通過AnsoftMaxwell二維有限元模型仿真計算,得出在轉速n分別為3000轉/分鐘和15000轉/分鐘時的輸出特性分別如表3-4和3-5所示.從表3-4可以看出,在電機轉速比擬低時,隨著磁

15、鋼厚度的增加,氣隙平均磁密,電機輸出轉矩以及輸出功率均呈現(xiàn)先增大,后減小的趨勢,而電樞電流卻隨之先減小,后增大.這是由于隨著磁鋼厚度的增加,在其極弧系數(shù)和長度不變的情況下增加了磁能積,導致氣隙平均磁密的增加,從而導致電機的輸出轉矩和輸出功率呈現(xiàn)增大的趨勢,而電樞電流呈現(xiàn)減小的趨勢.然而,由于永磁體的磁導率與空氣相近,增加永磁體的厚度,也相應的增加了電機內部的磁路長度,從而增加了磁阻,所以在磁鋼厚度增加到一定數(shù)值之后,由于磁能積的增加而增加的那局部氣隙磁通小于由于磁阻的增加而減小的那局部氣隙磁通,所以,當永磁體的文檔大全實用標準文案厚度增加到一定范圍之后,氣隙平均磁通密度會隨之減小,又由于此時轉

16、速比擬低,電樞電流比擬大,輔助極的助磁作用比擬強,磁路的飽和現(xiàn)象比擬嚴重,所以這種變化趨勢更明顯.從表3-5可以看到,在電機的轉速比擬高時,隨著磁鋼厚度的增加,氣隙平均磁密隨之增加,但是電刷電流,輸出轉矩和輸出功率卻隨之減小.在轉速較高時,或者說電樞反響不是很強烈時,磁鋼厚度的增加對氣隙平均磁密的影響比在重載時大,而且隨著磁鋼厚度的增加,氣隙平均磁密的增加幅度逐漸減小.此時助磁條內部磁通未到達飽和,電樞電流的減小對氣隙平均磁密的影響比擬大.針對起動電機而言,起動轉速大,空載轉速高是設計時追求的目標.綜合上述分析,在轉速比擬高時,一味的增加永磁體的厚度并不能改善電機的輸出性能,而是存在一個最優(yōu)的

17、永磁體厚度使電機的輸出性能到達最正確,并且在電機輕載時,增加永磁體的厚度卻使電機的輸出轉矩和輸出功率降低,從而降低了電機的空載轉速,對電機的設計不利.所以在根據(jù)用戶要求設計電機時要綜合考慮負載和空載時電機的輸出特性,適當增大磁鋼厚度雖然可以增大電機的過載水平,但是會使空載時的性能下降,同時也會增加鐵耗.在滿足設計要求的前提下,適當減小磁鋼后度還可以提升電機的性價比41,42.3.4.3定子外殼厚度對起動電機性能的影響由于定子的長度一般由安裝環(huán)境而定,而且在一定范圍內變化對電機內部磁場幾乎沒有影響,所以在此只分析定子外殼厚度對電機性能的影響.分別取定子外殼厚度Tsy=i.7mm、2mm、2.3m

18、m、2.6mm、2.9mm來研究定子外殼厚度對電機性能的影響.通過AnsoftMaxwell二維有限元模型仿真計算,得出在轉速n分別為3000轉/分鐘和15000轉/分鐘時的輸出特性分別如表3-6和3-7所示.在電機轉速比擬低時,電樞電流比擬大,助磁條利用電樞反響的增磁作用非常顯著,前文對電機的動態(tài)磁場分析中已經提到,定子外殼局部磁密最高可達2.5T,磁路工作在非常飽和的狀態(tài),所以此時定子外殼厚度的變化對電機的氣隙磁密比擬明顯的影響.從表3-6可以看出,隨著定子外殼厚度的增加,氣隙平均磁密,輸出轉矩和輸出功率都有增加的趨勢,而且當定子外殼的厚度增加到一定數(shù)值之后,氣隙平均磁通密度的增加幅度已經

19、不是很明顯.這是因為定子外殼的厚度超過了飽和與非飽和的臨界厚度.從表3-7電機高轉速時性能結果可以,隨著定子外殼厚度的增加,雖然氣隙平均磁密有所增加,但是其電樞電流,輸出轉矩和輸出功率都是下降的趨勢,而且定子外殼厚度的改變對接近空載時電機性能的影響不是很明顯.這是由于此時電樞電流比重載時小的多,電樞反響比較弱,輔助極的助磁作用不明顯,電機磁路工作在不飽和的狀態(tài),所以定子外殼厚度的改變雖然對磁路的磁阻有影響,但是對磁路的氣隙平均磁密影響比擬小.綜上所述,不管是在重載狀態(tài)還是在輕載狀態(tài),增加電機定子外殼的厚度對提升起動電機的性能是有利的,但是當定子外殼厚度增加到一定程度之后,再增加其厚度對電機性能

20、的提升已經不是很明顯.所以,定子外殼厚度的具體數(shù)值應結合電機內部磁通密度的大小和電機的重量要求綜合考慮,在滿足電機性能的前提下,存在一個最優(yōu)的定子外殼厚度使電機的性價比最高.3.4.4永磁極極弧系數(shù)對起動電機性能的影響永磁直流電動機的極弧系數(shù)一般取“廣0.60.75,3增大可提升電機的力能指標和利用率,但同時也會造成換向區(qū)較少,換向條件惡化,以及極間漏磁增大等問題43.為保持組合磁極的極弧系數(shù)符合一般性要求,考慮到輔助極的極弧系數(shù)=0.092,分析永磁極極弧系數(shù)妒在0.510.63間變化時對電機性能的影響.通過AnsoftMaxwell二維有限元模型仿真計算,得出在轉速n分別為3000車t/分

21、鐘和15000轉/分鐘時的輸出特性分別如表3-8和3-9所示.文檔大全實用標準文案從表3-8的電機性能可以看到,隨著永磁極極弧系數(shù)的增加,氣隙平均磁密,電機的輸出轉矩和輸出功率都隨之增加,電樞電流隨之下降.由于鐵氧體的磁導率與空氣的相近,所以永磁極極弧系數(shù)的增加并沒有使電機內部的磁阻減小,但是永磁極極弧系數(shù)的增加,與增加永磁極厚度一樣,永磁極的體積增加,磁能積增加,從而改變氣隙平均磁密.在相同轉速下,導致與前文改變電機參數(shù)時相同的結果.表3-9顯示,雖然永磁極極弧系數(shù)的增加導致了氣隙平均磁密的增加,每極下磁通量的增加,但是由于轉速較高,致使氣隙平均磁密的變化對電樞電流的影響比擬大,由于電機的輸

22、出轉矩是有每極下磁通量的大小和電樞電流兩個參數(shù)決定,所以輸出轉矩與變化量較大的電樞電流的變化趨勢一致.從上述的分析可以知道,在一定范圍內增加永磁極極弧系數(shù)對提升電機性能是有利的,但是電機的極弧系數(shù)的大小要與轉子槽數(shù)、電樞繞組嵌線方式和繞組節(jié)距等有關系,如果一味的為了提升電機永磁極的極弧系數(shù)來提升電機帶負載的水平,有可能出現(xiàn)在一個組合磁極下出現(xiàn)電流方向相反的電樞導體,反而出現(xiàn)相反的效果,所以通過適宜的方法選擇恰當?shù)挠来艠O極弧系數(shù)對電機的設計很重要.3.4.5輔助極極弧系數(shù)對起動電機性能的影響為保持組合磁極的極弧系數(shù)符合一般性要求,即組合磁極的極弧系數(shù)與在0.60.75范圍內,考慮到永磁極極弧系數(shù)

23、即=0.6,分析輔助極極弧系數(shù)辦在0.0920.14間變化時對電機性能的影響.通過AnsoftMaxwell二維有限元模型仿真計算,得出在轉速n分別為3000轉/分鐘和15000轉/分鐘時的輸出特性分別如表3-8和3-9所示.輔助極的存在使電機的制造工藝復雜化,增加電機的制造本錢,但是輔助極對提升電機性能的幫助是非常大的.從表3-10所展示的電機低轉速時的性能可以看到,輔助極極弧系數(shù)的增加和永磁極一樣,也使電機的氣隙磁通密度增加,但是當其數(shù)值增加到一定范圍之后,對增加氣隙平均磁密的作用已經不是很明顯.相對電機旋轉的方向,由于電樞反響的作用,前半極下是增磁作用,大局部磁通從輔助極通過,此時輔助極

24、內的磁路相當飽和,由于總的磁通量幾乎是不變的,所以當輔助極的極弧系數(shù)增加致使飽和程度下降或者磁路不飽和時,對氣隙平均磁密的作用已經比擬小了,所以輔助極極弧系數(shù)應根據(jù)本錢和性能高綜合考慮.從表3-11可以得知,在轉速較高時,氣隙平均磁通密度隨之增加,而輸出轉矩和輸出功率隨之減小.由于在轉速較高時,電樞電流比擬小,電樞反響比擬弱,輔助極的助磁作用不是很明顯,當輔助極極弧系數(shù)增加時,雖然氣隙平均磁密有所增加,但是增加幅度不是很大,可能還會增加漏磁,而且在大轉速的情況下,氣隙平均磁密的變化對電樞電流的影響比擬大,致使隨著輔助極極弧系數(shù)的增加,電樞電流呈現(xiàn)減小的趨勢,從而致使隨著輔助極極弧系數(shù)的增加,輸

25、出轉矩和輸出功率隨之減小.綜上所述,輔助極極弧系數(shù)的增加在一定程度上能夠使氣隙平均磁密增加,但是這是在電樞反響比擬強烈時,其內部磁路比擬飽和時才有這種效果,否那么增加輔助極的極弧系數(shù)就沒有意義,而且會導致漏磁的增加.由于在電機工作時,輔助極內的磁場極性與其相鄰的永磁極的相同,輔助極極弧系數(shù)過大,可能出現(xiàn)在一個組合磁極下出現(xiàn)電流方向相反的電樞導體,從而使電機的性能下降.所以輔助極的極弧系數(shù)應根據(jù)電機電樞反響的大小和合理選擇.3.5本章小結本章為解決ANSOFT不能連續(xù)仿真計算的問題,利用ANSOFT的二次開發(fā)水平提出了MATLAB-ANSOFT聯(lián)合仿真的方案；通過聯(lián)合仿真得到了有限元模型的性能輸

26、出,并通過與樣機試驗的性能輸出比照,驗證了有限元模型的正確性,同時說明了起動電機性能輸出的特文檔大全實用標準文案點；最后分析了氣隙寬度、磁鋼厚度、定子外殼厚度、永磁極與輔助極極弧系數(shù)對電機性能的影響,為下文對永磁起動電機的電磁參數(shù)優(yōu)化打下根底.第4章車用永磁起動電機的結構優(yōu)化4.1引言對車用永磁起動電機的優(yōu)化問題,有兩個努力的方向：一是在保證體積不變的情況下提升電機的輸出功率,二是在保證輸出功率不變的情況下減小電機的體積,本章節(jié)就前者對電機進行結構優(yōu)化.根據(jù)前述章節(jié)介紹的電磁參數(shù)對電機性能的影響,可以確定在電機優(yōu)化中所需要的目標和變量.本章節(jié)首先對SVM非參數(shù)建模做詳細介紹,通過參數(shù)的約束條件

27、,構建優(yōu)化目標與優(yōu)化變量之間的映射模型一一SVM模型；然后利用粒子群優(yōu)化算法PSO對電機的電磁參數(shù)進行優(yōu)化,最后得到最優(yōu)的輸出轉矩和最優(yōu)電磁參數(shù),完成整個電機的優(yōu)化工作.4.2永磁起動電機的最優(yōu)化問題車用永磁起動電機的優(yōu)化即基于支持向量機(SupportVectorMachine,SVM)44來建立待優(yōu)化電機電磁參數(shù)與優(yōu)化目標之間的數(shù)學模型,然后采用粒子群優(yōu)化算法(ParticleSwarmOptimization,PSO)45,46完成電機電磁參數(shù)的優(yōu)化.電機優(yōu)化問題即最優(yōu)數(shù)學方法與計算機科學技術在電機設計工程中的應用47,48,不失一般性,電機的最優(yōu)化問題可以表示為：(4-1)式中f(X)

28、一一目標函數(shù)；gi(X)、hj(X)約束條件；D約束域；Xn維優(yōu)化變量.目標函數(shù)即電機參數(shù)優(yōu)化的目標.對電機優(yōu)化的結果,需要電機的性能指標來衡量.針對車用永磁起動電機,前文已經提到,比擬大制動轉矩和較高的空載轉速是其追求的目標.對于起動電機的起動過程,電機轉速一致處于加速狀態(tài),且發(fā)動機的點火轉速(700800轉/分鐘)位于電機最大功率點的左側,即使在最壞的狀態(tài)下,發(fā)動機在點火轉速下沒有完成起動,起動電機仍然在帶動飛輪轉動的情況下運行,即車用起動電機在運行過程中不出現(xiàn)空載狀態(tài).在第三章中也分析到,電機的電磁參數(shù)進行變化時,對重載和輕載兩種運行狀態(tài)下輸出轉矩的影響是不同的：在重載時,由于轉速比擬低

29、,氣隙平均磁場密度的變化對電流大小的變化影響比擬小,此時電機的輸出轉矩和輸出功率隨氣隙平均磁場密度的變化趨勢一致,當氣隙平均磁場密度增加時,輸出轉矩和輸出功率也隨之增加,對提升重載時的輸出轉矩有利.所以,在此選擇輸出轉矩作為衡量電機優(yōu)化結果的標準.通常選用對電機性能影響較大的電磁參數(shù)作為電機的優(yōu)化變量,通過前述章節(jié)的分析,在此選擇氣隙寬度、磁鋼厚度、定子外殼厚度、永磁極和輔助極極弧系數(shù),五個電磁參數(shù)作為電機的優(yōu)化變量.約束條件即優(yōu)化設計變量的取值范圍,是在電機中設計變量最大值和最小值之間的變化區(qū)間,該范圍是在充分了解各個設計變量對電機的影響和公司提出的電機設計參數(shù)可動區(qū)間的前提下提出的合理取值

30、范圍.文檔大全實用標準文案4.3基于SVM的非參數(shù)建模4.3.1非參數(shù)建模的必要性電機的電磁計算是電機內部機、電、磁相互之間高度耦合的復雜的非線性問題,由于其輸入輸出關系是多參數(shù)、 非線性的,所以很難用一個準確的表達式來直接給出輸入輸出之間的這種關系.然而,以數(shù)學建模的角度來看,這種輸入輸出關系可以用一個映射關系來抽象的表達,即將永磁起動電機的優(yōu)化設計變量與電機在重載時的輸出轉矩關系表示為：式中T永磁起動電機在轉速為3000轉/分時的轉矩輸出；f輸入輸出之間的映射關系；優(yōu)化設計變量.這種映射關系沒有明確的數(shù)學顯式表達式,但在優(yōu)化永磁起動電機電磁參數(shù)的過程中又要求在線實時計算出不同電磁參數(shù)下的輸

31、出轉矩.在前述章節(jié)中均是利用有限元方法計算出永磁起動電機的輸出轉矩,但在優(yōu)化過程中需要大規(guī)模的迭代計算,有限元方法計算時間長、對計算機配置要求高,在實際操作中是不可行的.因此,基于一定樣本數(shù)據(jù)的永磁起動電機的非參數(shù)建模很有必要49.在理論上樣本的數(shù)量越大,所建立模型的精確度越高,越能夠反應輸出輸出之間的映射關系,由于計算本錢的限制,在工程實踐中樣本數(shù)目畢竟是有限的,但是SVM能夠很好的解決小樣本的學習問題,并且其計算精度可以滿足工程實際的應用要求50-52.所以本文采用基于支持向量機非參數(shù)回歸建模.支持向量機非參數(shù)回歸建模就是通過內積函數(shù)由下文介紹的-s參數(shù)選擇定義的非線性變換將輸入空間變換到

32、高維度空間,并在該高維空間求取回歸函數(shù)的學習過程,在形式上類似于一個神經網絡,輸出時中間結點的線性組合,每一個中間結點對應一個支持向量,其權值即為對應的拉格朗日乘子53,54.圖4-1所示即支持向量機非參數(shù)回歸模型結構圖.4.3.2LibSVM工具箱的使用LibSVM工具箱是臺灣林智仁博士等開發(fā)的一個操作簡單,易于使用的SVM軟件包,可以嵌入到Matlab中編輯運行.LibSVM工具箱在使用過程中主要用到兩個函數(shù)的調用,一個是用于將小樣本數(shù)據(jù)進行練習建模的svmtrain.exe,另一個是利用已有的練習模型對輸入?yún)?shù)進行預測的svmpredict.exe.利用LibSVM工具箱所建立模型的穩(wěn)定

33、性和精度取決于在調用函數(shù)時參數(shù)的選擇55,下面對這兩個函數(shù)使用中用到的參數(shù)的含義和參數(shù)的設置方法做簡單的介紹.1）svmtrain函 數(shù) 的 使 用 方 法svmtrain的 函 數(shù) 調 用 命 令 為 ：model=svmtraintrain_label,train_data,Options;model為練習后產生的模型文件；train_label為練習集的標簽,即樣本數(shù)據(jù)中的輸出轉矩值,也是待優(yōu)化的目標,是一個列向量；train_data為練習集屬性矩陣,即樣本數(shù)據(jù)中待優(yōu)化的五個電磁參數(shù),是一個nXm的矩陣,n為樣本的個數(shù),m為優(yōu)化變量的個數(shù).options為參數(shù)選項,是一個橫向量,其中最

34、主要的兩個參數(shù)為SVM類型-s和核函數(shù)類型-t兩個參數(shù)的選擇,大局部參數(shù)可以采用系統(tǒng)默認值.下面對option中用到參數(shù)的選擇逐一進行介紹.SVM模型是不同學者根據(jù)不同的問題提出的來,可以根據(jù)-s參數(shù)的設置來進行選擇.-s參數(shù)在進行SVM建模時不能省略,由于只有確定了SVM模型的類型回歸或者分類才能在程序庫中調用相應的算法進行計算,默認為0.關于-s參數(shù)的設置選擇如表4-1所示,由于對起動電機電磁參數(shù)優(yōu)化的問題屬于回歸問題,所以在此選擇SVM的模型類型為-s=3.文檔大全實用標準文案從表4-1可以看出,對SVM為EPLILON_SVR勺模型類型有兩個關聯(lián)參數(shù),-c和-p.-c是懲罰參數(shù),對應于

35、問題*II型中的C值.懲罰參數(shù)是一個確定的常數(shù),對錯分樣本懲罰程度進行限制,以實現(xiàn)錯分樣本的比例與算法復雜程度之間的“折中.一般來說,C的值與相應的練習數(shù)據(jù)范圍是聯(lián)系在一起的.懲罰參數(shù)C的取值范圍為0,+8.可以式4-3來描述這一標準化參數(shù)：其中練習數(shù)據(jù)中輸出值的均值,即輸出轉矩的均值；練習數(shù)據(jù)中輸出值的標準差,即輸出轉矩的標準差.根據(jù)式4-3可算出C的值為2.1778,本次建模過程中取C的值為2.2,即設置-c=2.2.-p對應于問題模型優(yōu)化函數(shù)限制條件中的一個參數(shù)值,在此處采用默認值即可.核函數(shù)的本質就是一種映射,選擇不同的核函數(shù),就會形成不同的算法54.核函數(shù)的正確選取依賴產生分類問題的

36、特點,由于不同的實際問題對相似度有著不同的度量,核函數(shù)可以看作一個特征提取的過程,選擇正確的核函數(shù)有助于提升準確率.關于-t參數(shù)的設置選擇如表4-2所示.經過比擬選取各個核函數(shù)的練習效果,當采用線性函數(shù)或者徑向基函數(shù)時效果比擬好,在這里設置核函數(shù)的類型為徑向基函數(shù),即-t=2.關聯(lián)參數(shù)-g即設置核函數(shù)表達式中的值,默認為屬性數(shù)目的倒數(shù),在這里優(yōu)化變量為5個,所以設置-g=0.2o2）svmpredict函數(shù)的使用方法svmpredict函數(shù)的作用是對測試數(shù)據(jù)進行預測,即在svmpredict函數(shù)練習出來的結構體model中尋找與優(yōu)化變量對應的優(yōu)化目標,在后續(xù)的智能算法中要反復調用,每調用一次,

37、就相當于進行一次有限元計算.該函數(shù)的調用格式為：predict_label,mse=svmpredicttest_label,test_data,model;對輸入變量,test_data為測試集屬性矩陣 自變量 ,大小為mxn,m為測試集樣本數(shù),n為屬性數(shù)目 維數(shù) ,即優(yōu)化變量的個數(shù)；test_label為練習集標簽,是維數(shù)大小等于樣本個數(shù)的列向量.對函數(shù)的輸出,predict_label代表預測的測試集標簽,是和test_label維數(shù)相同的列向量；MSE是一個3X1的列向量,第一個數(shù)表示分類準確率分類問題使用,在回歸問題中該返回值無意義.第二個數(shù)表示均方誤差meansquareerror

38、,用來衡量預測值與真實值之間的偏差,其值越小,說明預測值精度越高,經SVM練習得到的模型結構體model越精確,MSE可用下式來表示：式中l(wèi)樣本測試集樣本數(shù)；優(yōu)化變量矩陣；第i個測試樣本的預測輸出值；第i個樣本的實際值.第三個數(shù)表示決策值,也稱平方相關系數(shù)squaredcorrelationcoefficient,用來表征兩個兩組數(shù)據(jù)之間相關關系密切程度的統(tǒng)計分析指標56,57,其取值范圍為0,1.平方相關系數(shù)的值越大,說明兩組數(shù)據(jù)越相關,當相關系數(shù)取值為1時,說明兩組數(shù)據(jù)完全相關58.在此,平方線關系數(shù)作為SVM練習的學習函數(shù)性能的標準.平方相關系數(shù)可用式4-4表示.4.3.3SVM模型的建

39、立利用LibSVM工具箱,根據(jù)數(shù)據(jù)輸入所需要的矩陣形式,將第三章介紹的對起動電機性能產生影響的五個電磁參數(shù)作為練習集的屬性矩陣,且在每組樣本中隨機抽出一個樣本,組合成由五個樣本組成的預測樣本集,對練習模型的穩(wěn)定性和擬合效果進行評估,將剩余的20個樣本作為練習樣本集,用于對永磁起動電機的輸入輸出關系進行非線性回歸建模59,60.經過在MATLAB中調用運行LibSVM程序,得至IJ圖4-2所示的支持向量機非參數(shù)模型的練習擬合情況.圖4-3為支持向量機回歸模型性能的預測結果.文檔大全實用標準文案從圖4-2中可以看出,除了第9、11和13三個點的練習結果有稍微偏差,總體來講,支持向量機練習得到的永磁

40、起動電機的非參數(shù)模型的結果是十分穩(wěn)定的,其擬合效果比擬好.從其計算得到的均方誤差MSD=1.71X10-5和平方相關系數(shù)r2=0.981來看,MSE的趨于零,r2的值接近于1,也反映出支持向量機的練習效果是很滿意的.從圖4-3所示的練習模型預測結果可以看到,只有第五個點的預測性能不是很理想,與真實值相差0.02Nm,然而誤差也只有0.58%,均方誤差MSE和平方相關系數(shù)r2分別為8.4X10-5和0.96,通過SVM練習得到的永磁起動電機的非參數(shù)模型精度完全滿足工程應用精度的要求.4.4基于SVM和PSO的電機電磁參數(shù)優(yōu)化4.4.1粒子群算法粒子群算法ParticleSwarmOptimiza

41、tion,PSO是Kennedy和Eberthart等人在1995年提出的一種新的進化優(yōu)化算法61,62.在粒子群優(yōu)化算法中,粒子種群初始化一群隨機粒子,然后通過迭代來找到最優(yōu)解.設n維空間有m個粒子組成一個粒子群組,第i個粒子的位置為,粒子的速度為,為當前第i個粒子遍歷過的最優(yōu)位置,也成為個體極值,為當前種群所遍歷的最優(yōu)位置,稱為全局極值63,粒子下一時刻的位置都是根據(jù)當前種群最優(yōu)粒子位置和自身遍歷的最優(yōu)粒子來確定,每次迭代中,粒子通過跟蹤最優(yōu)值以進行實時更新,向著最優(yōu)位置靠攏,知道靠近或者到達最優(yōu)位置位置58,64.在找到個體極值和全局極值時,在迭代過程中,粒子群一直根據(jù)式4-4和式4-5來更新自己的速度和位置：式中 0慣性因數(shù),使粒子保才I運動慣性,通常取0,1之間的隨機數(shù)；粒子的速度,由用戶設定,用來限制粒子的速度；CI,C2加速常數(shù),表示將當前粒子趨向Pbesti和Restg的統(tǒng)計加速項的權重,通常取介于0,2之間的隨機數(shù)；0,1之間的隨機數(shù).是與的矢量和,其示意圖如圖4-4所示.4