JMAG Designer在永磁同步电机优化计算中的应用

1 前言

机电产品设计包含结构场设计、电磁场设计、流体场设计、声场设计，因此如何使产品具有足够的竞争力，设计出满足要求的高性价比产品，就必须针对产品进行挖掘性的研究。

如何对产品进行深入性研究，随着先进有限元技术逐渐引入到产品设计中，之前受限于计算机的计算能力，有限元分析技术很难在工程中获得大规模的使用。

但随着超级计算机技术的不断发展，有限元技术可以快捷、准确地指导产品的设计，尤其是先进优化计算方法的使用可以快捷地搜寻到高性价比的方案，使有限元的优化设计功能越来越受到重视。

要实现电磁场的优化设计，就必须要有针对模型的参数化建模功能，要具有针对产品多维参数的寻优功能；JMAG软件具有方便参数化建模的功能，也具有与外部优化软件的直接耦合的接口。

JMAG Optimization将参数化、优化算法、灵敏度分析和统计分析嵌入到JMAG仿真中，用户可以通过将模型的几何尺寸、材料常数等参数设置为变量，通过在Optimization中进行参数化扫描分析，研究几何形状与材料变化对产品性能的影响，从而优选最佳设计方案。与CCM+、LMS、abaqus耦合时，modeFrontier可以多物理域系统级优化等功能。

本文主要通过将磁钢厚度、隔磁磁桥厚度、磁钢槽距离外径距离、磁钢宽度和相位角进行参数化，目标是使转矩均值最大和转矩波动率最小。

2 JMAG Designer多目标优化操作流程

2.1 制定参数

1、尺寸参数：如图2-1a和2-1b所示，选择磁钢厚度（与磁钢槽同厚度，geometry editor中名称“距离”）、隔磁磁桥的厚度（geometry editor中名称“距离.9”）、磁钢槽距离外径的长度（geometry editor中名称“距离.4”）、磁钢宽度1/2值（geometry editor中名称“距离.8”）。与参数选择对话框的变量对应关系如图2-2所示。

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图1

图2-1a geometryeditor中的尺寸参数

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图2

图2-1b geometryeditor中的尺寸参数

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图3

图2-2 参数选择

2、电参数：电流相位角。通过设置电流相位角为参数变量，求出在给定的电流相位角下转矩的最大值。

2.2 与几何编辑器Link

1、按如下点击“select CAD Parameters...”。

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图4

图2-3 选择CAD参数

2、弹出如图2.4对话框，选择Restore CAD link，恢复CAD link，几何编辑器出现，目的是将Designer和几何编辑器进行了Link。

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图5

图 2-4 CAD Link提示对话框

选择Restore CAD link的同时在Designer中自动弹出如下如图2-5几何参数选择对话框。

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图6

图2-5 几何参数选择对话框

3、在如图2.-6的geometry editor几何编辑器中设置图形尺寸的约束条件。

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图7

图2-6 geometryeditor几何约束条件设置

4、在如图2-5中选择需要参数化的几何参数。

5、如图2-7和2-8设置variable name，并且在最前面的方框中勾选。这样designer中参数就与几何编辑器实际尺寸形成一个Link。

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图8

图2-7 参数名称设置1

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图9

图2-8 参数名称设置2

2.3 选择优化参数

选择优化参数，可以选择点坐标，可以选择约束函数值，可以选择材料。

1、右键点击Study>Case Control，弹出如图2-9所示列表，选择select Parameters...，弹出如图2-10优化参数对话框，可以看到几何参数已经默认勾选，这个案例只需要再勾选相位角即可。

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图10

图2-9 选择操作按钮

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图11

图2-10 优化参数选择对话框

2.4 设置优化参数变量

1、设置参数的范围

为节省计算时间，需要对优化的参数进行范围设置，优化过程在一定范围内进行计算，筛选出最优解。

右键点击Study>Case Control，弹出如图2-11的列表，选择Optimization...选项，弹出如图2-12的对话框。在constraint conditions选项卡下对几何参数和相位角度进行范围设置。

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图12

图2-11 Optimization操作按钮

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图13

图2-12 优化参数操作界面

2、如果参数之间有关联，则关联参数之间的关系。在ObjectiveFunctions选项卡下点击Add...按钮进行参数关联。本案例参数间无关联。

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图14

图2-13 关联参数对话框

2.5 计算当前case

因为目标参数转矩均值和转矩波动率需要通过运行case后才能得到，因此需要先对当前case进行计算，然后将转矩均值Tave和转矩波动率Trip注册到Results下。

运行完成后，进行如下操作。

1、显示转矩波形

右键单击>study>Results>Graphs，出现图2-14输出参数选择列表，选择Torque>show打开转矩波形图。

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图15

图2-14输出参数选择列表

2、如图2-15转矩波形图（图示为转矩波形图的菜单栏），左键点击菜单栏Calculation选项，点击ResponseGraph Data...，出现如图2-16创建响应图形数据对话框。在Calculation项选择SimpleAverage，变量名称设置为Tave，点击OK按钮出现如图2-17注册响应数据操作界面，点击Registeras Response Data，则如图2-18在result下出现Tave，同理需要注册转矩波动率Trip。这样优化目标将也自动出现在case control下Optimization对话框中。

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图16

图2-15 转矩波形图操作界面

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图17

图2-16 Create Response Graph Data对话框

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图18

图2-17 注册响应数据操作界面

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图19

图2-18 Response Data结果列表

2.6 设置优化目标

右键点击>study>casecontrol，左键点击Optimization...选项，出现如图2-19对话框，设置优化目标函数，在[Optimization]点击[ObjectiveFunction]选项卡，设置两个优化目标函数。

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图20

图2-19 设置优化目标函数

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图21

图2-20 增加优化目标函数按钮

按图2-20所示点击Add按钮，出现如图2-21所示优化目标表达式编辑器界面，按如下步骤进行操作。

1、Description中名称为用户输入，可以是任意的名称。

2、Expression中的参数可以通过双击ParametricVariables下Tave，则Tave将自动出现在Expression中，在Expression栏的右侧选择Maximize，点击OK按钮。同样对转矩波动率Trip表达式进行设置。

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图22

图2-21 优化目标表达式编辑器界面

2.7 设置 [Optimization Engine]

如图2-22点击Options选项卡，设置优化引擎OptimizationEngine，悬着多目标遗传算法Multi-objective Genetic Algorithm，此时所有的优化计算设置完毕。

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图23

图2-22 优化引擎选择界面

3 运行计算

如图3-1所示点击[Running]按钮(开始执行优化计算)，将生成约100多个cases。

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图24

图3-1 运行按钮界

4 显示计算结果

1、右键点击>study>Results>ResponseGraph>Graphs，出现如图4-1操作列表，左键点击Generate...选项，出现如图4-2的响应图形对话框，X坐标选择转矩平均值Tave，Y坐标选择转矩波动率Trip，点击OK，出现如图4-3所示列出了转矩均值Tave最大和转矩波动率Trip最小的优化方案，标识红色的为优中选优的方案。

基于JMAG Designer的永磁同步电机优化计算的图25