來源：西莫電機論壇
1 前言
隨著產(chǎn)業(yè)升級，各領(lǐng)域工業(yè)產(chǎn)品的性能指標需求逐步提高，設(shè)計工程師們發(fā)現(xiàn)僅依靠理論和經(jīng)驗難以完成設(shè)計任務(wù)，在這種情況下借助高性能計算機和專業(yè)的仿真設(shè)計軟件，讓“電腦”代替“人腦”從海量的解集中搜尋最優(yōu)設(shè)計方案成為必然趨勢，設(shè)計工程師正逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)化算法策略的設(shè)計者。
以電機設(shè)計為例，電機的設(shè)計參數(shù)眾多，同時涉及到多物理場的強耦合，電機工程師面對的是大規(guī)模、高難度的優(yōu)化設(shè)計問題。解決如此復(fù)雜的工程問題有兩個重要的基礎(chǔ)工作：即建立復(fù)雜的參數(shù)化幾何模型和制定合理的多目標優(yōu)化策略并高效實施。ANSYS Maxwell作為業(yè)界最佳低頻電磁場仿真設(shè)計軟件，提供了多種幾何參數(shù)化建模的方法，適用于不同復(fù)雜程度的工程問題；同時，借助于ANSYS Workbench平臺電磁、結(jié)構(gòu)、流體以及優(yōu)化模塊，可進行電機多物理場耦合的多變量多目標優(yōu)化設(shè)計，另外借助于ANSYS平臺強大的并行、分布式計算能力，工程師可在最短的時間內(nèi)對復(fù)雜優(yōu)化策略進行分析和驗證，快速實現(xiàn)產(chǎn)品迭代創(chuàng)新。本文將從參數(shù)化建模、優(yōu)化設(shè)計兩個方面介紹Maxwell的相關(guān)功能。
2 參數(shù)化建模
通常可以將模型的幾何參數(shù)、材料屬性、溫度、激勵等設(shè)計參數(shù)設(shè)置成變量，當改變變量的時候，模型會自動更新，以達到參數(shù)化模型的目的。參數(shù)化模型的優(yōu)點：對設(shè)計參數(shù)進行更改后模型會自動更新，可以快速方便的調(diào)整模型；輕松定義和自動創(chuàng)建同一系列的模型；便于參數(shù)分析和優(yōu)化分析；便于靈敏度分析、統(tǒng)計分析、公差分析等。參數(shù)化模型的目的：對于在校學生可以快速搞清設(shè)計參數(shù)與性能指標的關(guān)系，加深對理論的理解；對于仿真工程師而言縮短了建模時間、提高工作效率；對于研發(fā)工程師是產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計的重要基礎(chǔ)工作。
Maxwell 可以實現(xiàn)的參數(shù)化設(shè)置如下：
對于ANSYS
Maxwell平臺的仿真分析，我們可用的幾何參數(shù)化建模方法大致分為以下八種，其中前4種是目前大多數(shù)工程師都在采用的，比較直觀簡單，容易操作，第5種用戶自定義UDP建模使用起來稍有難度，但是對于復(fù)雜幾何模型來說其建模效率很高，用戶只要具有一定的C或Python編程基礎(chǔ)，讀懂軟件自帶模板的代碼，參考幫助文件，稍加練習，都可以掌握，這種方法結(jié)合Maxwell的腳本功能可以更方便的實現(xiàn)完整仿真模型的參數(shù)化建模；第6/7種方法需要利用到Workbench平臺中的幾何建模工具，最后一種是借助第三方建模工具進行參數(shù)化設(shè)計。總之，用戶可以利用的方法很多，適合不同復(fù)雜程度的工程問題。
②Maxwell導(dǎo)入CAD圖紙生成建模歷史并參數(shù)化；
③RMxprt導(dǎo)入Maxwell參數(shù)化建模；
④Maxwell內(nèi)置UDP模型參數(shù)化建模；
⑥導(dǎo)入ANSYSDesignModeler繪制的參數(shù)化模型；
⑦導(dǎo)入ANSYS SpaceClaim繪制的參數(shù)化模型；
⑧導(dǎo)入Solidworks等第三方幾何建模工具繪制的參數(shù)化模型。
Maxwell自帶一個幾何建?？蚣埽@個框架與某些專業(yè)CAD工具不同，它是基于點、線、面、體、布爾運算、平移、旋轉(zhuǎn)、陣列等功能繪制幾何模型，雖然對于初學者來說略顯繁瑣，但是這種建模方法可以非常直觀、精確的實現(xiàn)幾何的參數(shù)化，因為Maxwell建模過程基于歷史樹，每個建模步驟的參數(shù)都可以隨時進行再編輯，用戶可直接將數(shù)字量改為變量或表達式，即可實現(xiàn)參數(shù)化建模，同時軟件內(nèi)部有一些內(nèi)置的變量可以直接使用。
① Maxwell定義的變量要以字母、數(shù)字和下劃線組成；
③不要用系統(tǒng)的預(yù)留變量名、單位、常量名來定義變量；
預(yù)留變量名、單位名、常量名都可以直接使用，如常用的Time、position、speed、pi變量等。
表達式在運算過程中會帶單位運行，如果變量不帶單位，則會使用軟件默認的單位。另外，需要注意的是，表達式中的變量是帶單位運行的，例如，當定義了gamma變量，其單位為deg，則表達式gamma/180結(jié)果的單位還是deg，如用戶需要得到無單位的結(jié)果，可將表達式寫成gamma/180/1deg。
下面為使用Maxwell自帶建?？蚣苓M行直接幾何參數(shù)化建模的例子，在這個過程中，所有坐標點、平移的距離、旋轉(zhuǎn)的角度、sweep的角度或距離、圓弧半徑、矩形的長寬、陣列的數(shù)量等等都可以通過變量來驅(qū)動。
在Maxwell中繪制一個圓形面域Circle1，并將半徑定義為變量rad。
繪制一條直線Polyline1，修改直線起始坐標點為與變量a、b有關(guān)的量。
選中Polyline1，執(zhí)行sweepalong vector操作，生成一個長寬為a、b的矩形，我們可以通過控制Vector變量來控制矩形的面積。
如果需要對兩個模型進行相減運算，我們可以通過窗口上方的工具欄找到布爾運算命令快速實現(xiàn)模型間的布爾運算，如Subtract等。
我們可以很方便的對倒角命令進行參數(shù)化。首先切換到Vertices選擇模式，選中需要倒角的頂點，如選中矩形四個頂點執(zhí)行fillet操作，將fillet半徑設(shè)置為變量Rf。
我們可以對模型的深度進行參數(shù)化。將選擇模式切換回object，選中模型，沿z軸進行sweep，設(shè)置拉伸長度為變量thick。
我們可以對模型位置進行參數(shù)化。選中模型，沿x軸進行move操作，將移動距離設(shè)置為變量h。
我們可以對陣列角度和數(shù)量進行參數(shù)化。選中需要陣列的模型執(zhí)行旋轉(zhuǎn)陣列操作，設(shè)置陣列角度為360deg/num，num為陣列個數(shù)，需勾選Attachto original object。
如用戶需要查看參數(shù)化模型動畫，可通過如下方法實現(xiàn)。
2.2 Maxwell導(dǎo)入CAD圖紙生成建模歷史并參數(shù)化
對于一些簡單的幾何模型，可以將模型的dxf、dwg等CAD圖紙導(dǎo)入Maxwell，利用軟件的生成建模歷史功能，在軟件內(nèi)部識別模型中的點、線、面，然后手動對需要參數(shù)化的幾何特征進行變量設(shè)置以實現(xiàn)參數(shù)化。下面以電磁閥案例進行說明。
在Modeler>Import處導(dǎo)入CAD圖紙，軟件支持導(dǎo)入多種文件格式，但并非全部模型均支持生成建模歷史。選中模型并執(zhí)行Modeler>GenerateHistory生成建模歷史。
軟件可自動識別到組成面域的線段和圓弧，用戶可對建模歷史進行修改，將坐標點定義為變量，達到模型參數(shù)化的目的。
用戶可對模型進行凸起或縮進。選中面域的邊，執(zhí)行Modeler>Edge>MoveEdges操作，正數(shù)表示凸起，負數(shù)表示縮進，Move的距離可設(shè)置為變量并參數(shù)化掃描。
在Maxwell3D中，可以使用movefaces功能來快速實現(xiàn)槽口寬度參數(shù)化。
執(zhí)行Modeler>Import…導(dǎo)入CAD圖紙，右鍵切換選擇模式Selection Mode>Faces
首先選中槽口對應(yīng)的面，然后執(zhí)行Edit>Surface>Move Faces>Along Normal操作，最后將移動距離設(shè)置為變量d。移動的距離若為正數(shù)則表示突出，若為負數(shù)則表示縮進。
利用倒角功能可以對任意頂點進行倒角建模，倒角分為fillet圓角，charm切角兩種，倒角尺寸也可實現(xiàn)參數(shù)化。如對電機定子齒部進行圓角參數(shù)化可按如下操作進行。
2.3 RMxprt導(dǎo)入Maxwell參數(shù)化建模
RMxprt是AEDT中基于磁路法的旋轉(zhuǎn)電機專家設(shè)計工具，在RMxprt建模過程中，可以將電機的幾何尺寸等設(shè)置為變量或表達式，并利用其“一鍵有限元”功能生成Maxwell仿真模型，RMxprt中定義的變量也會自動傳遞到Maxwell模型中。
以軟件自帶的assm-1為例，如將定子槽型尺寸設(shè)置為變量。若電機是平行齒，不能直接使用ParallelTooth定義的齒寬，因為齒寬不會傳遞到Maxwell，我們需要將Bs1和Bs2手動定義，通過控制這兩個變量來等效平行齒對應(yīng)的槽寬度。
RMxprt計算完成后，可一鍵生成有限元模型，可以在Maxwell中參看定義的變量，軟件傳遞了RMxprt中手動定義的變量除線圈匝數(shù)變量，線圈匝數(shù)變量TC雖然實現(xiàn)了傳遞，但未自動賦值，需手動修改，可以List功能對線圈匝數(shù)進行批量修改。
2.4 Maxwell內(nèi)置UDP模型參數(shù)化建模
Maxwell軟件內(nèi)置了非常多的UDP模型庫，包含了各種常用的電機沖片、線圈、機殼、變壓器等模型，用戶可以直接調(diào)用并將其中的幾何尺寸設(shè)置為變量，快速實現(xiàn)參數(shù)化建模。
UDPs模型同時支持2D和3D建模，UDPs模型的幾何尺寸可直接填寫表達式實現(xiàn)參數(shù)化建模。用戶可通過Maxwell的幫助文檔中的介紹，詳細了解UDPs參數(shù)和使用說明。UDPs的打開方式為Draw>User Defined Primitive >RMxprt。
同一個UDP模型可利用Info選項，分別定義沖片、磁鋼、磁鋼槽、求解域等模型，如為0是沖片，1是磁鋼，2是磁鋼槽等。
我們可以對多個UDP模型做布爾運算，來組合出更為復(fù)雜的幾何模型，對于UDP模型也可以進行倒角操作來增加模型細節(jié)，下面是一個簡單的示例，用兩個IPMcore實現(xiàn)V一磁鋼結(jié)構(gòu)形式。
目前，自帶的UDP庫包含很多電機部件的模型，如定子模型、轉(zhuǎn)子模型、繞組模型、軸向磁通電機&直線電機等，涉及到永磁、感應(yīng)、磁阻類電機。
通過Draw>UserDefined Primitive >RMxprt> CupCoil實現(xiàn)。
