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电动汽车驱动 机器学习 ★ 5.0

基于有限实验数据的机器学习代理建模中Mn-Zn铁氧体磁芯损耗的工艺特异性仿真

Fabrication-Specific Simulation of Mn-Zn Ferrite Core-Loss for Machine Learning-Based Surrogate Modeling With Limited Experimental Data

作者
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 机器学习
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 锰锌铁氧体 铁损建模 数据驱动框架 机器学习 替代模型
语言:

中文摘要

锰锌铁氧体作为一种核心材料,在电力电子应用中得到了广泛使用。然而,由于磁芯损耗机制及其相关因素的复杂性,磁芯损耗建模颇具挑战性。实验数据的匮乏是锰锌铁氧体发展的另一个重大阻碍。在本研究中,我们提出了一种新颖的数据驱动框架,用于构建一个基于机器学习(ML)的有效替代模型,以估算锰锌铁氧体的磁芯损耗。我们开发了一个特定于制造工艺的有限元分析模型,对所制造锰锌铁氧体的实验结果进行模拟,从而生成基于模拟的数据,以扩充训练数据集。我们考虑了各种机器学习技术,用于特定制造工艺模拟中的材料特性估算和磁芯损耗计算。一项使用样本量分别为3、6、8、12、20和30的六个有限实验数据集的案例研究表明,所提出的基于机器学习的替代模型估算磁芯损耗的准确率约为91.78%,与基于斯坦梅茨方程的模型相比,准确率提高了17%。随着实验数据量的增加,纳入特定制造工艺模拟数据后,基于机器学习的替代模型的准确率提升更为迅速,且模型的收敛精度有所提高。值得注意的是,当样本量小于8时,每个替代模型的准确率都显著提高,提升幅度约为35%。

English Abstract

Mn-Zn ferrite is widely used as a core material in power electronic applications. However, core-loss modeling is challenging owing to the complexity of core-loss mechanisms and associated factors. The scarcity of experimental data is another significant impediment to the development of Mn-Zn ferrites. In this study, we propose a novel data-driven framework to construct an effective machine learning (ML) based surrogate model for estimating the core-loss of Mn-Zn ferrites. We developed a fabrication-specific finite element analysis model, simulating the experimental results of fabricated Mn-Zn ferrites, to generate simulation-driven data for expanding the training dataset. We considered various ML techniques for material property estimations in the fabrication-specific simulation and core-loss calculations. A case study using six limited experimental datasets with sample sizes of 3, 6, 8, 12, 20, and 30 showed that the proposed ML-based surrogate model can estimate core-loss with an accuracy of approximately 91.78%, a 17% increase in accuracy compared to the Steinmetz equation-based model. With the inclusion of the fabrication-specific simulation data, the accuracy of the ML-based surrogate model improved more rapidly as the amount of experimental data increased, and the models exhibited enhanced converged accuracy. Notably, the accuracy of each surrogate model was significantly enhanced for a sample size of less than 8, resulting in an improvement of approximately 35%.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项关于Mn-Zn铁氧体磁芯损耗建模的研究具有重要的工程应用价值。Mn-Zn铁氧体是我们光伏逆变器、储能变流器等核心产品中高频变压器和电感器的关键磁性材料,其损耗特性直接影响系统效率和热管理设计。

该研究最显著的价值在于解决了磁芯材料开发中的数据稀缺问题。传统上,我们需要大量实验数据来准确预测不同工况下的磁芯损耗,这不仅成本高昂且周期漫长。论文提出的机器学习代理模型结合制造工艺特定仿真的方法,在仅有3-30个样本的小数据集条件下,就能实现91.78%的预测精度,相比传统Steinmetz方程提升17%。特别是在8个样本以下时精度提升达35%,这对我们快速迭代磁性元件设计、缩短产品开发周期具有直接意义。

从技术成熟度评估,该方法已通过案例验证,但向工业应用转化仍需关注几个方面:首先,制造工艺特定仿真模型需要与我们实际的供应链和生产工艺深度耦合;其次,模型在宽频率范围(逆变器工作频率从几kHz到上百kHz)和复杂波形条件下的鲁棒性需要验证;再者,不同批次材料一致性对模型准确性的影响也需考量。

这项技术为阳光电源带来的机遇在于:可建立自有的磁性材料数据库和快速评估平台,加速定制化磁芯材料的开发,在高功率密度逆变器和储能系统设计中获得竞争优势。建议与材料供应商和研究机构合作,将此方法集成到我们的数字化研发体系中。