基于 Ansys Motor-CAD 與 optiSLang 的電機(jī)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)(上)
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作者:Ansys 中國 王楊
編者按
隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,各種應(yīng)用領(lǐng)域都對電機(jī)性能指標(biāo)提出越來越高的要求,例如效率高、轉(zhuǎn)速范圍寬、體積小、重量輕、功率密度大、噪聲低、成本低等,這要求電機(jī)設(shè)計(jì)必須兼顧電磁性能、溫升性能以及機(jī)械設(shè)計(jì)方面等多物理場性能,同時(shí)還要考慮電機(jī)的成本、研發(fā)周期等因素,如何在最短的時(shí)間內(nèi)將一款高性能、低成本的電機(jī)產(chǎn)品推向市場是目前各大電機(jī)廠商面對的課題。
Ansys Motor-CAD 電機(jī)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)
現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)
現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)是一個(gè)典型的多學(xué)科、強(qiáng)耦合、多變量、非線性的問題,其中多學(xué)科分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)扮演了非常重要的角色。電機(jī)設(shè)計(jì)工作的特殊性要求設(shè)計(jì)工具必須具有以下幾方面特征:
兼顧磁路法的理論深度和有限元法的高精度,提供專業(yè)的前、后處理功能;
在電機(jī)全運(yùn)行工況范圍內(nèi),需要實(shí)現(xiàn)電磁和熱的雙向耦合,而且算法必須快速高效以滿足產(chǎn)品研發(fā)周期;
電機(jī)機(jī)械強(qiáng)度的分析需要在電磁設(shè)計(jì)階段同時(shí)進(jìn)行,以減少設(shè)計(jì)迭代。
將同時(shí)具有以上特征的設(shè)計(jì)工具與優(yōu)化工具相結(jié)合,工程師便可以兼顧電磁、熱、機(jī)械性能,在電機(jī)設(shè)計(jì)初期獲得較好的設(shè)計(jì)方案,為后面的精確分析與優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。Ansys Motor-CAD 是目前全球范圍內(nèi)唯一包含電磁、熱、機(jī)械的專業(yè)電機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)工具,它同時(shí)兼顧了計(jì)算速度與精度,可在最短時(shí)間內(nèi)完成電機(jī)初始方案設(shè)計(jì),同時(shí)結(jié)合強(qiáng)大的 Ansys optiSLang 優(yōu)化工具,從而使電機(jī)工程師在設(shè)計(jì)初期對電磁、熱、機(jī)械性能進(jìn)行快速綜合優(yōu)化的夢想變?yōu)榭赡堋?/strong>
Motor-CAD 結(jié)合了磁路法與電磁場有限元法,兼顧了理論深度與計(jì)算精度,豐富的后處理功能幫助用戶深入、全面的分析和理解電機(jī)各種電磁性能參數(shù);
Motor-CAD 集成的熱分析模塊實(shí)現(xiàn)了電機(jī)電磁-熱雙向快速耦合分析,其內(nèi)置 20 多年積累的豐富電磁熱計(jì)算工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為計(jì)算精度提供了有力保障;
Motor-CAD 與 optiSLang 之間可以借助于集成的向?qū)Р寮?Python 腳本進(jìn)行耦合,用戶可定義任意復(fù)雜的分析流程,并基于此實(shí)現(xiàn)電機(jī)多學(xué)科、多工況、多目標(biāo)快速綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。
借助于 Motor-CAD 與 optiSLang,電機(jī)工程師可以在概念設(shè)計(jì)階段快速評估設(shè)計(jì)參數(shù)對電磁、熱、機(jī)械強(qiáng)度的綜合影響,在最短時(shí)間內(nèi)給出電機(jī)最佳初始設(shè)計(jì)方案,另外利用 Motor-CAD 與 Maxwell、Twin Builder 之間的接口,工程師可進(jìn)一步對初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行電磁場高精度分析、系統(tǒng)級場路協(xié)同仿真分析。
本文我們將通過兩個(gè)例子來詳細(xì)介紹 Motor-CAD 與 optiSLang 進(jìn)行電機(jī)優(yōu)化的方法。通過利用 optiSLang 中的 MotorCAD Solver Wizard 實(shí)現(xiàn)優(yōu)化,以及利用 optiSLang 中的 Python Solver Wizard 如何來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。
利用 optiSLang 中的 MotorCAD Solver Wizard 實(shí)現(xiàn)優(yōu)化
optiSLang 中的 MotorCAD Solver Wizard 可以幫助用戶快速創(chuàng)建 Motor-CAD 的參數(shù)化分析系統(tǒng)用于敏感性分析或優(yōu)化設(shè)計(jì),用戶只需利用該向?qū)?dǎo)入 Motor-CAD 模型文件,軟件會自動識別 Motor-CAD 中的參數(shù),通過鼠標(biāo)拖拽即可完成相關(guān)設(shè)置。
optiSLang 中的 MotorCAD Solver Wizard
MotorCAD 參數(shù)化分析系統(tǒng)
在 MotorCAD solve 中,用戶可定義求解類型,軟件目前支持電磁、熱、Lab 三個(gè)模塊
選擇計(jì)算模塊
另外還支持在求解結(jié)束后,自動導(dǎo)出 Maxwell 的 vb 建模腳本,以及 Motor-CAD 中電機(jī)的徑向、軸向、3D 模型的截圖。
模型導(dǎo)出功能
在 MotorCAD input 中,軟件可自動識別 Motor-CAD 中的各項(xiàng)輸入?yún)?shù),包括各種幾何尺寸參數(shù),求解設(shè)置參數(shù)等等,利用搜索功能可以快速定位所需參數(shù),將相應(yīng)的參數(shù)拖拽到左側(cè) Parameter 框,即可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化參數(shù)的選取。
選取設(shè)計(jì)參數(shù):定子齒寬和槽深
在 MotorCAD ouput 中,軟件自動識別 Motor-CAD 的所有計(jì)算結(jié)果參數(shù),同樣將其拖拽到右側(cè) Response 框即可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)的選取。
選取優(yōu)化目標(biāo)
利用 MotorCAD Solver Wizard 我們可以快速實(shí)現(xiàn)分析流程的搭建,前面的例子中我們選取了定子齒寬和槽深作為優(yōu)化參數(shù),選取了平均電磁轉(zhuǎn)矩作為優(yōu)化目標(biāo),接下來基于這個(gè)分析流程,利用 optiSLang 中的優(yōu)化向?qū)Э梢钥焖俅罱ㄒ粋€(gè)優(yōu)化流程。
加入優(yōu)化模塊
在優(yōu)化向?qū)е校謩e定義優(yōu)化參數(shù)的范圍,以及參數(shù)的類型,連續(xù)型或者離散型等等。
設(shè)置參數(shù)范圍
通過右鍵的簡單操作,可以快速的定義優(yōu)化目標(biāo)類型,可定義最大化、最小化、固定值、或者將優(yōu)化目標(biāo)限制在一定的范圍內(nèi)。
設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)
optiSLang 的強(qiáng)大之處在于,它會根據(jù)定義的優(yōu)化參數(shù)的數(shù)量和類型,以及優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)量和類型,自動推薦最合適的優(yōu)化算法,并以綠色圓圈顯示,這大大降低了優(yōu)化設(shè)計(jì)的門檻。
設(shè)置優(yōu)化算法
優(yōu)化分析 workflow
以上是利用與 optiSLang 中的 MotorCAD Solver Wizard 進(jìn)行電機(jī)優(yōu)化基本流程,這個(gè)方法的特點(diǎn)是操作簡單,對于一般的電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題比較實(shí)用,但是它不夠靈活,如果分析流程 Workflow 比較復(fù)雜,可以利用optiSLang 中的 Python Solver Wizard 實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。
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