一种轮毂驱动系统高效轻质优化设计方法技术方案

本发明专利技术公开一种轮毂驱动系统高效轻质优化设计方法，其技术方案如下：建立轮毂驱动系统有限元模型进行电磁场分析，计算电磁转矩、各部件损耗和各部件重量等响应变量；进行轮毂驱动系统结构参数灵敏度分析，据此确定优化设计变量；根据确定的设计变量和响应变量，设计仿真实验，并计算各组实验的响应变量值；建立响应变量和设计变量的回归模型，并进行精度检验；利用回归模型建立轮毂驱动系统高效轻质优化设计模型，进行优化设计；对优化结果进行验证，若不满足，则更新变量重新进行优化设计，若满足要求，则获得最终设计方案。本发明专利技术提出的方法可以较好的解决轮毂驱动系统的转矩密度与冷却约束的冲突及非簧载质量增加而导致的平顺性恶化问题。

【技术实现步骤摘要】
一种轮毂驱动系统高效轻质优化设计方法
本专利技术属于电动汽车设计领域，尤其涉及一种轮毂驱动系统高效轻质优化设计方法。技术背景轮毂电机驱动电动汽车的底盘结构与传统集中电机驱动车辆底盘结构显著不同，其将电机、减速机构、制动器等高度集成于车轮内，这种底盘结构使其在车辆总布置结构、底盘主动控制以及操控方便性方面的明显技术优势。但也带来了一系列新的问题，新型底盘结构的引用使车辆非簧载质量增加对车辆平顺性和乘坐舒适性产生不利影响的同时，受空间与运行环境的限制，同时由于低速时所需的驱动扭矩很大，因此，轮毂驱动系统需要有较高的转矩密度和功率密度来满足车辆运行。但对轮毂电机的高功率密度的追求，使在功率不变的情况下，电机体积减小，这虽然使其功率密度得到了提高，但相应的，其损耗密度也有所增加，由此将会带来电机过热。不仅会损坏绕组绝缘、降低寿命，还会对永磁体造成不可逆退磁，严重影响着驱动电机及车辆的安全运行。由此可见，轮毂电机驱动系统特殊结构和工作环境，使得轮毂驱动系统的设计在质量(体积)、转矩密度、效率与温度(损耗)方面存在着一定制约关系，某一性能的提高可能会以牺牲其他性能为代价。因此，如何同时兼顾其质量、转矩密度、效率与温度(损耗)等多项性能进行轮毂驱动系统的设计，是轮毂驱动电动汽车发展所必须要解决的关键问题之一，而且具有重要的工程应用价值。针对现有轮毂驱动系统设计技术方面的不足，本专利技术提出一种轮毂驱动系统高效轻质优化设计方法，其可以同时兼顾轮毂驱动系统的质量(体积)、转矩密度、效率与温度(损耗)等多个性能因素，最大程度的实现转矩最大化、损耗最小化及质量最小化的优化设计。本专利技术提出的方法可以较好的解决轮毂驱动系统的转矩密度与效率与温度(损耗)冲突及非簧载质量增加而导致的平顺性恶化问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对目前轮毂驱动系统设计中存在的质量(体积)、转矩密度、效率与温度(损耗)等各项性能冲突问题，提出了一种轮毂驱动系统高效轻质优化设计方法。该方法以转矩最大化、损耗最小化及质量最小化为优化目标，联合有限元法和回归分析法，并采用一定的优化算法对轮毂驱动系统进行优化设计。采用本专利技术提出的优化设计方法所设计的轮毂驱动系统可以同时兼顾轮毂驱动系统的质量(体积)、转矩密度、效率与温度(损耗)等各项性能需求，最大程度的实现轮毂驱动系统的高效轻质设计。本专利技术的目的通过如下技术方案实现：根据轮毂驱动系统具体结构，在建立轮毂驱动系统有限元模型进行电磁场分析的基础上，计算电磁转矩、各部件损耗和各部件重量等响应变量；进行轮毂驱动系统结构参数灵敏度分析，据此确定优化设计变量；根据确定的设计变量和响应变量，设计仿真实验，并计算各组实验的响应变量值；建立响应变量和设计变量的回归模型，并进行精度检验；利用回归模型建立高效轻质优化设计模型，采用合适的方法进行优化设计；对优化结果进行验证，若不满足，则更新变量重新进行优化设计，若满足要求，则获得最终设计方案。本专利技术属于电动汽车设计领域，尤其涉及一种轮毂驱动系统高效轻质优化设计方法。该方法在轮毂驱动系统设计中可以同时兼顾轮毂驱动系统的质量(体积)、转矩密度、效率与温度(损耗)等多个性能因素，最大程度的实现轮毂驱动系统转矩最大化、损耗最小化及质量最小化的优化设计。该方法为解决轮毂驱动系统的转矩密度与冷却约束的冲突及非簧载质量增加而导致的平顺性恶化问题提供了可借鉴的方案、方法。附图说明下面结合附图和实施实例对本专利技术做进一步说明。图1是本专利技术轮毂驱动系统高效轻质优化设计方法的流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细的说明，但本专利技术的实施方式不限于此。如图1流程图所示，本专利技术提出的一种轮毂驱动系统高效轻质优化设计方法，其步骤包括：S1轮毂电机驱动系统具体结构分析；S2轮毂电机驱动系统有限元模型的建立；S3电磁场分析；S4结构参数灵敏度分析；S5优化设计变量的确定；S6仿真实验设计；S7各组仿真实验的计算分析；S8响应变量和设计变量回归模型的建立；S9模型精度的检验；S10高效轻质优化设计目标模型的建立；S11优化设计；S12是否达到最大迭代次数或满足优化目标函数值下限；S13输出全局最优值及其优化目标函数值；S14设计变量更新；S15结束。本专利技术的进一步优选方案是：1、步骤S1是对具体应用对象的轮毂电驱动系统的结构、布置、连接方式等进行具体分析。2、步骤S2根据所述步骤S1的具体分析结果，建立轮毂电机驱动系统的有限元模型。3、步骤S3是利用所述步骤S2所建有限元模型，进行电磁场分析，并根据分析结果计算各响应变量值，具体包括：S31电磁转矩计算、S32各部件损耗计算和S33各部件重量计算。4、步骤S4是利用所述步骤S2所建有限元模型计算不同轮毂驱动系统不同结构参数对所述步骤S3的各响应变量值，并进行结构参数灵敏度分析，得到结构参数对对各响应变量的影响趋势。所述轮毂驱动系统结构参数是指轮毂驱动系统中轮毂电机定子、转子、永磁体、外壳及支撑架等主要部件的结构尺寸参数，结构参数与轮毂驱动系统的具体结构有关，不同的结构可以有不同的结构参数。5、步骤S5是根据所述步骤S4参数灵敏度的分析结果，找到对各响应变量影响较大的结构参数，并将其确定为优化设计变量。所述优化设计变量的个数可根据轮毂驱动系统具体结构和分析结果进行确定。6、步骤S6是根据所述步骤S5所确定的优化设计变量和所述步骤3的响应变量进行仿真实验设计。所述实验设计方法可以是正交实验法、拉丁方设计、响应曲面实验设计、全因子实验设计等各种正交实验设计法和析因实验设计法。7、步骤S7是根据所述步骤S6所设计的仿真实验，利用所述步骤2所建立的有限元模型分析、计算并得到所述步骤S3的各响应变量值。8、步骤S8是利用所述步骤S7所得到的各组仿真实验的数据，建立各响应变量和设计变量的回归分析模型。所述回归分析模型为拟合设计变量与响应变量之间的函数关系，其可由多项式回归(PolynomialRegression)、逐步回归(StepwiseRegression)、岭回归(RidgeRegression)和套索回归(LassoRegression)等分析方法得到。本实施例的回归分析模型进一步优选为多项式回归分析中的带交叉项的多元二次回归模型，具体表达如下：其中：β为回归系数，x为设计变量，ε为一个随机误差向量。将响应函数Y的模型写成矩阵形式，可记为：Y＝Xβ+εX为设计变量矩阵。采用最小二乘法，来对回归向量β进行估计。最小二乘函数为：ε'为ε的转置矩阵。将函数L关于β最小化，最小二乘估计量必须满足：于是可得到最小二乘估计量和拟合回归模型为：根据上述计算方法，可得到所述二阶回归方程系数向量β，继而得到各响应变量的二阶回归方程Y。9、步骤S9是对所述步骤S8所得到各响应变量回归方程进行精度检验。本实施例的优选方案为对回归模型的剩余标准差进行计算，对模型的显著性进行检验，显著性好，则模型精度高。具体如下：利用所述步骤S8得到回归模型计算所述步骤S6中各响应变量的估计值即可利用下式计算回归模型的剩余标准差，对模型的精度进行检验。其中，n为样本点个数，p为自变量个数。10、步骤S10是高效轻质优化设计目标模型的建立。所述高效轻质优化设计模型是能够描述效率最大化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术公开一种轮毂驱动系统高效轻质优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)轮毂驱动系统具体结构分析，具体是轮毂驱动系统的结构、布置、连接方式等进行具体分析；(2)根据轮毂电机驱动系统具体结构，建立轮毂驱动系统有限元模型；(3)利用所建有限元模型，进行电磁场，计算各响应变量值，包括：电磁转矩、各部件损耗和各部件重量；(4)对所述各响应变量进行轮毂驱动系统结构参数灵敏度分析，找到对各响应变量影响较大的设计变量；(5)根据灵敏度分析结果，确定最终优化设计变量；(6)根据确定的响应变量和设计变量，利用一定的实验设计方法设计仿真实验；(7)利用所建立的有限元模型对所设计的各组仿真实验进行分析计算，得到各组实验对应的响应变量；(8)利用上述计算得到的各组仿真实验计算结果，建立各响应变量和设计变量的回归分析模型；(9)利用相应的检验方法，对所述步骤(8)所得到的回归模型的精度进行检验；(10)利用回归模型建立轮毂驱动系统高效轻质优化设计模型；(11)根据所述步骤(10)建立的优化设计模型，采用一定优化设计方法进行优化设计；(12)根据所述步骤(11)计算得到的优化目标函数值来判断迭代次数是否达到设置的最大迭代次数或所述步骤(10)的适优化目标函数值是否收敛到最小值。(13)所述步骤(12)的判断结果若是：迭代次数达到最大迭代次数或优化目标函数值已经收敛到最小值，此时输出全局最优值及优化目标函数值。(14)所述步骤(12)的判断结果迭代次数若是：没有达到最大迭代次数或优化目标函数值没有收敛到最小值，则根据优化目标函数值更新设计变量，重新进行优化、分析和设计。(15)直至所述步骤(13)输出全局最优值及优化目标函数值，优化设计过程结束。...

【技术特征摘要】
1.本发明公开一种轮毂驱动系统高效轻质优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)轮毂驱动系统具体结构分析，具体是轮毂驱动系统的结构、布置、连接方式等进行具体分析；(2)根据轮毂电机驱动系统具体结构，建立轮毂驱动系统有限元模型；(3)利用所建有限元模型，进行电磁场，计算各响应变量值，包括：电磁转矩、各部件损耗和各部件重量；(4)对所述各响应变量进行轮毂驱动系统结构参数灵敏度分析，找到对各响应变量影响较大的设计变量；(5)根据灵敏度分析结果，确定最终优化设计变量；(6)根据确定的响应变量和设计变量，利用一定的实验设计方法设计仿真实验；(7)利用所建立的有限元模型对所设计的各组仿真实验进行分析计算，得到各组实验对应的响应变量；(8)利用上述计算得到的各组仿真实验计算结果，建立各响应变量和设计变量的回归分析模型；(9)利用相应的检验方法，对所述步骤(8)所得到的回归模型的精度进行检验；(10)利用回归模型建立轮毂驱动系统高效轻质优化设计模型；(11)根据所述步骤(10)建立的优化设计模型，采用一定优化设计方法进行优化设计；(12)根据所述步骤(11)计算得到的优化目标函数值来判断迭代次数是否达到设置的最大迭代次数或所述步骤(10)的适优化目标函数值是否收敛到最小值。(13)所述步骤(12)的判断结果若是：迭代次数达到最大迭代次数或优化目标函数值已经收敛到最小值，此时输出全局最优值及优化目标函数值。(14)所述步骤(12)的判断结果迭代次数若是：没有达到最大迭代次数或优化目标函数值没有收敛到最小值，则根据优化目标函数值更新设计变量，重新进行优化、分析和设计。(15)直至所述步骤(13)输出全局最优值及优化目标函数值，优化设计过程结束。2.根据权利要求1，所述轮毂驱动系统高效轻质优化设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述轮毂驱动系统结构参...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭迪，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37