IPM电机隔磁桥电磁&结构多目标优化设计
摘要
随着驱动电机功率密度的提升，对电机最高转速的要求也相应提高。在IPM电机中，转子隔磁桥需承受更大离心应力，同时确保隔磁性能。为满足这一需求，磁极拓扑结构愈发复杂，双层或多层永磁体设计普遍。因此，隔磁桥和孔的几何设计面临更高的自由度和复杂性。为在电磁性能和结构强度间取得平衡，本文展示了一种综合优化方法，利用Maxwell UDP结合Ansys Maxwell、Mechanical和optiSLang进行多物理、多目标优化设计。这种方法不仅提高了设计效率，还在实现高性能电机转子隔磁桥设计中发挥了关键作用。通过敏感性分析和多目标优化，能够找到满足电磁性能和结构强度要求的最优设计方案。
正文
随着驱动电机功率密度的不断提升，对电机的最高转速也提出了更高的要求。在IPM电机中，转子隔磁桥需要承受更大的离心应力，同时还必须确保足够的隔磁性能。为了有效分散转子应力，磁极拓扑结构变得愈发复杂，双层甚至多层永磁体的设计变得非常普遍。这使得隔磁桥和孔的几何设计具有更高的自由度和复杂性。
因此，如何在隔磁桥的尺寸设计中兼顾电磁性能和结构强度，成为一个典型的多物理场权衡设计问题。然而，仅凭借经验来设计满足所有设计任务要求的转子隔磁桥尺寸非常具有挑战性。
在这个案例中，我们将展示如何利用Maxwell UDP（参数化转子几何），结合Ansys Maxwell、Mechanical和optiSLang，来实现对IPM转子隔磁桥进行多物理、多目标优化设计。这样的综合优化方法将有助于找到最佳设计方案，既能提高电机性能，又能满足结构强度的要求。
UserDefined Primitives
UserDefined Primitives
Maxwell UDPs参数化建模
— 便于参数化设置，模型更新速度快，执行效率高
— 同一个UDP可以创建转子冲片、永磁体、永磁体槽等模型，建模方便
— UDP支持布尔操作，用户可以灵活运用多个UDP组合创建具有更多细节的几何模型
— 设计团队使用UDP建模可以降低成员之间的沟通成本，提高协作效率
— UDP支持二次开发，用户可以将常用的几何拓扑编写成UDP脚本，一劳永逸
脚本开发案例
基于Workbench的多物理场仿真流程
— Maxwell2D:计算电机负载转矩、转矩脉动
— DesignModeler:几何模型处理
— Staticstructure:计算转子隔磁桥最大离心应力
设置
设置
Maxwell设置
在Maxwel中使用UDP建立转子几何参数化模型
在DefaultDesignXplorerSetup中
— 勾选优化设计变量
— 设置优化响应结果:平均转矩、转矩波动
DesignModeler设置
在DesignModeler中抑制除转子铁心和永磁体以外的几何模型
静态结构分析设置
— 周期对称边界
— 合理的Mesh
— 约束条件
— 转速载荷
求解并显示等效应力结果
— 勾选Results->Maximum将全局最大应力作为优化响应结果
Workbench设置
— 更新项目
— 查看Parameterset中的计算结果
— 保存并关闭Workbench工程
optisLang设置
使用AnsysWorkbenchIntergrations导入前面保存的Workbench工程文件
— 设置优化设计变量
— 设置优化响应结果
— 设置并行求解
— 添加敏感性分析模块
■ 敏感性分析
— 参数相关性矩阵:帮助用户理解设计
— 生成MOP模型用于后续的优化
添加优化模块
■ 多目标优化
— 平均转矩最大化、转矩波动最小化、转子应力最小化
■ 查看帕累托前沿
■ 筛选最优设计方案
■ 基于MOP模型的更多优化尝试
— 最求更高可靠性:满足转矩指标的情况下转子应力最小化
— 最求更高电磁性能:满足一定转子应力安全系数的情况下平均转矩最大化
总结
总结
⚪ Maxwell建立的UDP参数化模型使得将模型快速传递到其他物理场求解器变得更加方便。
⚪ 在Workbench平台上，可以轻松地建立电磁和结构参数化分析流程，实现高效的多物理场参数化分析。
⚪ optisLang作为优化设计的工具，可以调用Workbench中已建立的参数化分析流程，从而实现多物理、多目标的优化设计。
⚪ 使用optisLangMoP模型，可以快速尝试多种优化策略，从而找到最佳的设计方案。
⚪ 这种综合性的方法能够极大地提高设计效率，并在实现高性能电机转子隔磁桥的设计中发挥关键作用。
