基于Ansys Workbench的Maxwell&optiSLang永磁电机联设计

 

 

1 背景介绍

Ansys optiSLang是一款先进的仿真流程集成与设计优化（PIDO）工具。具有非常灵活开放的仿真流程搭建平台，可以集成100种以上的CAE和CAD工具，帮助企业提升产品设计，包括参数敏感性分析、优化设计、鲁棒性分析和可靠性分析等。

本文以一表贴式永磁同步电机为例，介绍了如何在Workbench中利用optiSLang对Maxwell模型进行优化，本文所述案例基于Ansys 2022R2制作。

本文优化模型为一表贴式永磁同步电机。优化变量有六个，分别为极弧系数poleembrace、磁极厚度magnetthickness、磁极偏心距poleoffset、槽口高度slot_open_hight、槽口宽度slot_open_width及气隙长度airgap。

优化的目标有四个。分别为齿槽转矩峰峰值最小、负载转矩波动率最小、负载转矩平均值最大、永磁体面积最小。

其中，Maxwellproject 中包含两个design。PMSM_cogging用于进行齿槽转矩分析，PMSM_load用于进行负载工况分析

Maxwell project 中包含的两个design

2 方法实现

首先进行Step1操作，即准备Maxwell模型。

首先，两个design的初始设计变量分别按如下给定。

(1) Poleembrace设置为0.85

(2) Magnetthickness设置为6

(3) Poleoffset设置为30

(4) slot_open_width设置为2

(5) slot_open_height设置为1

(6) Airgap设置为1。

初始设计模型

然后对PMSM_cogging进行以下修改。

(1) 转速设置为1deg_per_sec；

(2) Irms设置为0A；

(3) Stop time设置为.5s；

(4) Time step设置为7.5s/30。

然后对PMSM_load进行以下修改。

(1) 转速设置为1500rpm；

(2) Irms设置为100A；

(3) Stop time设置为1/Ele_freq；

(4) Time step设置为1/Ele_freq/TimeSteps。

分析计算PMSM_cogging，得到如下齿槽转矩波形结果，根据结果可知，转矩脉动峰峰值(pk2pk值)为0.6671Nm。

齿槽转矩结果

分析计算PMSM_load，得到如下负载转矩波形结果，根据结果可知，pkavg值为0.0187，转矩平均值(avg值)为74.3839Nm。

负载转矩结果

接着查看PMSM_load的永磁体面积，根据结果可知avg值为0.2625。

查看PMSM_load的永磁体面积

永磁体面积结果

最后，保存并关闭Maxwellproject。

接着进行Step2操作，即新建WB project。

首先激活WB中的optiSLang插件，激活方法如下图所示。

激活optiSLang插件

然后将PM_SyncMotor.aedt拖入WB窗口，保存WB project，双击PMSM_cogging的Geometry标签，即可打开Maxwell模型。

WB中的两个Maxwell模型

接着进行Step3操作，即在WB中修改Maxwell模型设置。

双击PMSM_cogging下的DefaultDesignXplorerSetup，勾选需要优化的变量名。

双击DefaultDesignXplorerSetup

勾选需要优化的变量名(6个变量)

然后添加齿槽转矩pk2pk值，同时将输出变量名改为cogging，如下图所示。 

添加齿槽转矩pk2pk值

将输出变量名改为cogging

接着双击双击PMSM_load下的DefaultDesignXplorerSetup，勾选需要优化的变量名。

双击DefaultDesignXplorerSetup

勾选需要优化的变量名(6个变量)

利用同样的方法添加torque、ripple和magnet_area输出变量，操作好后关闭Maxwell。

添加torque、ripple和magnet_area输出变量

接下来双击parameterset，依次将2个Maxwell design的参数绑定，在P8的Expression处填写P1，保证两个Maxwell使用同一套设计变量。

双击parameter set

将2个Maxwell design的参数绑定

接着设置parameterset，设置parameter set的并行任务数，与Maxwell中HPC设置的Task数相同。

设置parameter set的并行任务数

然后计算初始designpoint(DP)，用户需要注意检查WB和Maxwell中的计算结果是否一致。

计算初始design point(DP)

接着进行Step 4 操作，即sensitivity分析。

首先保存文件，然后拖入sensitivity模块，然后定义变量范围，然后一直Next。

拖入sensitivity模块

定义变量范围

Next操作

采用默认的采样设置。

默认采样设置

接着设置采样点数量，然后在Outputs处仅勾选4个响应参数名。

设置采样点数量

在Outputs处仅勾选4个响应参数

设置sensitivity分析DP更新模式为并行，同时设置每轮发送到parameter set的DP数，与Maxwell中HPC设置的Task数相同即可。

sensitivity分析参数设置

然后右键点击AMOP选择Update，即可进行灵敏度分析计算。

AMOP选择Update

接着Update AMOPResults，双击Results可打开MOP后处理界面，查看CoP预后系数矩阵。

CoP预后系数矩阵

接着进行Step5操作，即optimization优化。

将optimization模块拖到sensitivity模块的AMOP标签，此时优化变量范围将会自动继承sensitivity模块设置，然后进行Next操作即可。

optimization模块拖到sensitivity模块的AMOP标签

优化变量范围

然后依次添加优化目标，然后执行Next操作，目标设置如下。

(1) Magnet_area最小

(2) Ripple最小

(3) Torque最大

(4) Cogging最小

添加优化目标

设置默认的优化算法EA(遗传算法)，最后点击finish完成即可。

设置默认的优化算法EA(遗传算法)

然后点击Update进行求解计算，计算完成后即可查看优化结果。

Update求解

查看优化结果

优化结果

然后拖入Pareto 3D，查看3个优化目标组成的帕累托前沿面。

拖入Pareto 3D

Pareto 3D结果

接着拖入Parallel coordinateplot，用户可利用手柄快速筛选优选方案。

拖入Parallel coordinate plot

利用手柄快速筛选优选方案

更多optiSLang优化功能用户可参考optiSLang帮助文档。

用户可对优化结果进行有限元验证，首先在Validator处右击选择Update，然后在Result处右击选择Update即可。

Validator处右击选择Update

Result处右击选择Update

最后可查看有限元验证后的结果。

查看结果

有限元验证后结果

3 总结

Ansys optiSLang是一款先进的仿真流程集成与设计优化（PIDO）工具。具有非常灵活开放的仿真流程搭建平台，可以集成100种以上的CAE和CAD工具，帮助企业提升产品设计，包括参数敏感性分析、优化设计、鲁棒性分析和可靠性分析等。本文以一表贴式永磁同步电机为例，介绍了如何在Workbench中利用optiSLang对Maxwell模型进行优化。通过对极弧系数、磁极厚度、磁极偏心距、槽口高度、槽口宽度及气隙长度等6个变量进行优化，优化目标为齿槽转矩峰峰值最小、负载转矩波动率最小、负载转矩平均值最大、永磁体面积最小，最终经过Ansys optiSLang的优化迭代计算，达到了优化目标。

审核编辑：刘清