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1?背景介紹

Ansys optiSLang是一款先進(jìn)的仿真流程集成與設(shè)計(jì)優(yōu)化（PIDO）工具。具有非常靈活開(kāi)放的仿真流程搭建平臺(tái)，可以集成100種以上的CAE和CAD工具，幫助企業(yè)提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)，包括參數(shù)敏感性分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、魯棒性分析和可靠性分析等。

本文以一表貼式永磁同步電機(jī)為例，介紹了如何在Workbench中利用optiSLang對(duì)Maxwell模型進(jìn)行優(yōu)化，本文所述案例基于Ansys 2022R2制作。

本文優(yōu)化模型為一表貼式永磁同步電機(jī)。優(yōu)化變量有六個(gè)，分別為極弧系數(shù)poleembrace、磁極厚度magnetthickness、磁極偏心距poleoffset、槽口高度slot_open_hight、槽口寬度slot_open_width及氣隙長(zhǎng)度airgap。

優(yōu)化的目標(biāo)有四個(gè)。分別為齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值最小、負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)率最小、負(fù)載轉(zhuǎn)矩平均值最大、永磁體面積最小。

其中，Maxwellproject 中包含兩個(gè)design。PMSM_cogging用于進(jìn)行齒槽轉(zhuǎn)矩分析，PMSM_load用于進(jìn)行負(fù)載工況分析

Maxwell project 中包含的兩個(gè)design

2?方法實(shí)現(xiàn)

首先進(jìn)行Step1操作，即準(zhǔn)備Maxwell模型。

首先，兩個(gè)design的初始設(shè)計(jì)變量分別按如下給定。

(1) Poleembrace設(shè)置為0.85

(2) Magnetthickness設(shè)置為6

(3) Poleoffset設(shè)置為30

(4) slot_open_width設(shè)置為2

(5) slot_open_height設(shè)置為1

(6) Airgap設(shè)置為1。

初始設(shè)計(jì)模型

然后對(duì)PMSM_cogging進(jìn)行以下修改。

(1) 轉(zhuǎn)速設(shè)置為1deg_per_sec；

(2) Irms設(shè)置為0A；

(3) Stop time設(shè)置為.5s；

(4) Time step設(shè)置為7.5s/30。

然后對(duì)PMSM_load進(jìn)行以下修改。

(1) 轉(zhuǎn)速設(shè)置為1500rpm；

(2) Irms設(shè)置為100A；

(3) Stop time設(shè)置為1/Ele_freq；

(4) Time step設(shè)置為1/Ele_freq/TimeSteps。

分析計(jì)算PMSM_cogging，得到如下齒槽轉(zhuǎn)矩波形結(jié)果，根據(jù)結(jié)果可知，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)峰峰值(pk2pk值)為0.6671Nm。

齒槽轉(zhuǎn)矩結(jié)果

分析計(jì)算PMSM_load，得到如下負(fù)載轉(zhuǎn)矩波形結(jié)果，根據(jù)結(jié)果可知，pkavg值為0.0187，轉(zhuǎn)矩平均值(avg值)為74.3839Nm。

負(fù)載轉(zhuǎn)矩結(jié)果

接著查看PMSM_load的永磁體面積，根據(jù)結(jié)果可知avg值為0.2625。

查看PMSM_load的永磁體面積

永磁體面積結(jié)果

最后，保存并關(guān)閉Maxwellproject。

接著進(jìn)行Step2操作，即新建WB project。

首先激活WB中的optiSLang插件，激活方法如下圖所示。

激活optiSLang插件

然后將PM_SyncMotor.aedt拖入WB窗口，保存WB project，雙擊PMSM_cogging的Geometry標(biāo)簽，即可打開(kāi)Maxwell模型。

WB中的兩個(gè)Maxwell模型

接著進(jìn)行Step3操作，即在WB中修改Maxwell模型設(shè)置。

雙擊PMSM_cogging下的DefaultDesignXplorerSetup，勾選需要優(yōu)化的變量名。

雙擊DefaultDesignXplorerSetup

勾選需要優(yōu)化的變量名(6個(gè)變量)

然后添加齒槽轉(zhuǎn)矩pk2pk值，同時(shí)將輸出變量名改為cogging，如下圖所示。?

添加齒槽轉(zhuǎn)矩pk2pk值

將輸出變量名改為cogging

接著雙擊雙擊PMSM_load下的DefaultDesignXplorerSetup，勾選需要優(yōu)化的變量名。

雙擊DefaultDesignXplorerSetup

勾選需要優(yōu)化的變量名(6個(gè)變量)

利用同樣的方法添加torque、ripple和magnet_area輸出變量，操作好后關(guān)閉Maxwell。

添加torque、ripple和magnet_area輸出變量

接下來(lái)雙擊parameterset，依次將2個(gè)Maxwell design的參數(shù)綁定，在P8的Expression處填寫P1，保證兩個(gè)Maxwell使用同一套設(shè)計(jì)變量。

雙擊parameter set

將2個(gè)Maxwell design的參數(shù)綁定

接著設(shè)置parameterset，設(shè)置parameter set的并行任務(wù)數(shù)，與Maxwell中HPC設(shè)置的Task數(shù)相同。

設(shè)置parameter set的并行任務(wù)數(shù)

然后計(jì)算初始designpoint(DP)，用戶需要注意檢查WB和Maxwell中的計(jì)算結(jié)果是否一致。

計(jì)算初始design point(DP)

接著進(jìn)行Step 4 操作，即sensitivity分析。

首先保存文件，然后拖入sensitivity模塊，然后定義變量范圍，然后一直Next。

拖入sensitivity模塊

定義變量范圍

Next操作

采用默認(rèn)的采樣設(shè)置。

默認(rèn)采樣設(shè)置

接著設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)量，然后在Outputs處僅勾選4個(gè)響應(yīng)參數(shù)名。

設(shè)置采樣點(diǎn)數(shù)量

在Outputs處僅勾選4個(gè)響應(yīng)參數(shù)

設(shè)置sensitivity分析DP更新模式為并行，同時(shí)設(shè)置每輪發(fā)送到parameter set的DP數(shù)，與Maxwell中HPC設(shè)置的Task數(shù)相同即可。

sensitivity分析參數(shù)設(shè)置

然后右鍵點(diǎn)擊AMOP選擇Update，即可進(jìn)行靈敏度分析計(jì)算。

AMOP選擇Update

接著Update AMOPResults，雙擊Results可打開(kāi)MOP后處理界面，查看CoP預(yù)后系數(shù)矩陣。

CoP預(yù)后系數(shù)矩陣

接著進(jìn)行Step5操作，即optimization優(yōu)化。

將optimization模塊拖到sensitivity模塊的AMOP標(biāo)簽，此時(shí)優(yōu)化變量范圍將會(huì)自動(dòng)繼承sensitivity模塊設(shè)置，然后進(jìn)行Next操作即可。

optimization模塊拖到sensitivity模塊的AMOP標(biāo)簽

優(yōu)化變量范圍

然后依次添加優(yōu)化目標(biāo)，然后執(zhí)行Next操作，目標(biāo)設(shè)置如下。

(1) Magnet_area最小

(2) Ripple最小

(3) Torque最大

(4) Cogging最小

添加優(yōu)化目標(biāo)

設(shè)置默認(rèn)的優(yōu)化算法EA(遺傳算法)，最后點(diǎn)擊finish完成即可。

設(shè)置默認(rèn)的優(yōu)化算法EA(遺傳算法)

然后點(diǎn)擊Update進(jìn)行求解計(jì)算，計(jì)算完成后即可查看優(yōu)化結(jié)果。

Update求解

查看優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化結(jié)果

然后拖入Pareto 3D，查看3個(gè)優(yōu)化目標(biāo)組成的帕累托前沿面。

拖入Pareto 3D

Pareto 3D結(jié)果

接著拖入Parallel coordinateplot，用戶可利用手柄快速篩選優(yōu)選方案。

拖入Parallel coordinate plot

利用手柄快速篩選優(yōu)選方案

更多optiSLang優(yōu)化功能用戶可參考o(jì)ptiSLang幫助文檔。

用戶可對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行有限元驗(yàn)證，首先在Validator處右擊選擇Update，然后在Result處右擊選擇Update即可。

Validator處右擊選擇Update

Result處右擊選擇Update

最后可查看有限元驗(yàn)證后的結(jié)果。

查看結(jié)果

有限元驗(yàn)證后結(jié)果

3?總結(jié)

Ansys optiSLang是一款先進(jìn)的仿真流程集成與設(shè)計(jì)優(yōu)化（PIDO）工具。具有非常靈活開(kāi)放的仿真流程搭建平臺(tái)，可以集成100種以上的CAE和CAD工具，幫助企業(yè)提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)，包括參數(shù)敏感性分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、魯棒性分析和可靠性分析等。本文以一表貼式永磁同步電機(jī)為例，介紹了如何在Workbench中利用optiSLang對(duì)Maxwell模型進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)對(duì)極弧系數(shù)、磁極厚度、磁極偏心距、槽口高度、槽口寬度及氣隙長(zhǎng)度等6個(gè)變量進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)為齒槽轉(zhuǎn)矩峰峰值最小、負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)率最小、負(fù)載轉(zhuǎn)矩平均值最大、永磁體面積最小，最終經(jīng)過(guò)Ansys optiSLang的優(yōu)化迭代計(jì)算，達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)。

審核編輯：劉清