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1?背景介紹

Ansys optiSLang是一款先進的仿真流程集成與設計優化（PIDO）工具。具有非常靈活開放的仿真流程搭建平臺，可以集成100種以上的CAE和CAD工具，幫助企業提升產品設計，包括參數敏感性分析、優化設計、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為例，介紹了如何在Workbench中利用optiSLang對Maxwell模型進行優化，本文所述案例基于Ansys 2022R2制作。

本文優化模型為一表貼式永磁同步電機。優化變量有六個，分別為極弧系數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及氣隙長度airgap。

優化的目標有四個。分別為齒槽轉矩峰峰值最小、負載轉矩波動率最小、負載轉矩平均值最大、永磁體面積最小。

其中，Maxwellproject 中包含兩個design。PMSM_cogging用于進行齒槽轉矩分析，PMSM_load用于進行負載工況分析

Maxwell project 中包含的兩個design

2?方法實現

首先進行Step1操作，即準備Maxwell模型。

首先，兩個design的初始設計變量分別按如下給定。

(1) Poleembrace設置為0.85

(2) Magnetthickness設置為6

(3) Poleoffset設置為30

(4) slot_open_width設置為2

(5) slot_open_height設置為1

(6) Airgap設置為1。

初始設計模型

然后對PMSM_cogging進行以下修改。

(1) 轉速設置為1deg_per_sec；

(2) Irms設置為0A；

(3) Stop time設置為.5s；

(4) Time step設置為7.5s/30。

然后對PMSM_load進行以下修改。

(1) 轉速設置為1500rpm；

(2) Irms設置為100A；

(3) Stop time設置為1/Ele_freq；

(4) Time step設置為1/Ele_freq/TimeSteps。

分析計算PMSM_cogging，得到如下齒槽轉矩波形結果，根據結果可知，轉矩脈動峰峰值(pk2pk值)為0.6671Nm。

齒槽轉矩結果

分析計算PMSM_load，得到如下負載轉矩波形結果，根據結果可知，pkavg值為0.0187，轉矩平均值(avg值)為74.3839Nm。

負載轉矩結果

接著查看PMSM_load的永磁體面積，根據結果可知avg值為0.2625。

查看PMSM_load的永磁體面積

永磁體面積結果

最后，保存并關閉Maxwellproject。

接著進行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標簽，即可打開Maxwell模型。

WB中的兩個Maxwell模型

接著進行Step3操作，即在WB中修改Maxwell模型設置。

雙擊PMSM_cogging下的DefaultDesignXplorerSetup，勾選需要優化的變量名。

雙擊DefaultDesignXplorerSetup

勾選需要優化的變量名(6個變量)

然后添加齒槽轉矩pk2pk值，同時將輸出變量名改為cogging，如下圖所示。?

添加齒槽轉矩pk2pk值

將輸出變量名改為cogging

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

雙擊DefaultDesignXplorerSetup

勾選需要優化的變量名(6個變量)

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

添加torque、ripple和magnet_area輸出變量

接下來雙擊parameterset，依次將2個Maxwell design的參數綁定，在P8的Expression處填寫P1，保證兩個Maxwell使用同一套設計變量。

雙擊parameter set

將2個Maxwell design的參數綁定

接著設置parameterset，設置parameter set的并行任務數，與Maxwell中HPC設置的Task數相同。

設置parameter set的并行任務數

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

計算初始design point(DP)

接著進行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

采用默認的采樣設置。

默認采樣設置

接著設置采樣點數量，然后在Outputs處僅勾選4個響應參數名。

設置采樣點數量

在Outputs處僅勾選4個響應參數

設置sensitivity分析DP更新模式為并行，同時設置每輪發送到parameter set的DP數，與Maxwell中HPC設置的Task數相同即可。

sensitivity分析參數設置

然后右鍵點擊AMOP選擇Update，即可進行靈敏度分析計算。

AMOP選擇Update

接著Update AMOPResults，雙擊Results可打開MOP后處理界面，查看CoP預后系數矩陣。

CoP預后系數矩陣

接著進行Step5操作，即optimization優化。

將optimization模塊拖到sensitivity模塊的AMOP標簽，此時優化變量范圍將會自動繼承sensitivity模塊設置，然后進行Next操作即可。

optimization模塊拖到sensitivity模塊的AMOP標簽

優化變量范圍

然后依次添加優化目標，然后執行Next操作，目標設置如下。

(1) Magnet_area最小

(2) Ripple最小

(3) Torque最大

(4) Cogging最小

添加優化目標

設置默認的優化算法EA(遺傳算法)，最后點擊finish完成即可。

設置默認的優化算法EA(遺傳算法)

然后點擊Update進行求解計算，計算完成后即可查看優化結果。

Update求解

查看優化結果

優化結果

然后拖入Pareto 3D，查看3個優化目標組成的帕累托前沿面。

拖入Pareto 3D

Pareto 3D結果

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

拖入Parallel coordinate plot

利用手柄快速篩選優選方案

更多optiSLang優化功能用戶可參考optiSLang幫助文檔。

用戶可對優化結果進行有限元驗證，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證后的結果。

查看結果

有限元驗證后結果

3?總結

Ansys optiSLang是一款先進的仿真流程集成與設計優化（PIDO）工具。具有非常靈活開放的仿真流程搭建平臺，可以集成100種以上的CAE和CAD工具，幫助企業提升產品設計，包括參數敏感性分析、優化設計、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為例，介紹了如何在Workbench中利用optiSLang對Maxwell模型進行優化。通過對極弧系數、磁極厚度、磁極偏心距、槽口高度、槽口寬度及氣隙長度等6個變量進行優化，優化目標為齒槽轉矩峰峰值最小、負載轉矩波動率最小、負載轉矩平均值最大、永磁體面積最小，最終經過Ansys optiSLang的優化迭代計算，達到了優化目標。

審核編輯：劉清