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1 背景介绍
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，既能提高电机电磁性能，又能满足结构强度的要求。2 Ansys Maxwell
UDPs介绍
Ansys Maxwell UDPs(User Defined Primitives)参数化建模功能有以下几个优点：(1) 便于用户进行参数化设置，模型更新速度快，执行效率高；(2) 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;(3) 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；(4) 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；(5) 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。UDP具有很好的灵活性，利用多个UDP排列组合得到更多结构。3 基于Workbench的多物理场仿真
Workbench的多物理场仿真流程主要包含三个内容。首先在Maxwell 2D中，用户需计算电机负载转矩、转矩脉动。然后在DesignModeler中，用户进行几何模型处理。最后在Static structure中，计算转子隔磁桥最大离心应力。在Maxwell中，用户需要使用UDP建立转子几何参数化模型，然后在DefaultDesignXplorerSetup中，勾选优化设计变量，同时设置优化响应结果，分别为平均转矩及转矩波动指标，如下图所示。在DesignModeler中，Suppress除转子铁心和永磁体以外的几何模型，如下图所示。在Static Structure中，用户需要设置周期对称边界，设置合理的Mesh，设置约束条件及转速载荷。然后进行求解并显示Equivalent Stress结果，同时勾选Results>>Maximum将全局最大应力作为优化响应结果，如下图所示。显示Equivalent Stress结果并将全局最大应力作为优化响应结果在Workbench中，用户需要Update Project，如下图所示。然后查看Parameter Set中的计算结果，如下图所示。在optiSLang中，用户需要使用Ansys Workbench Integrations导入前面保存的Workbench工程文件，如下图所示。在optiSLang设置页面，用户需要设置优化设计变量、设置优化响应结果及设置并行求解，如下图所示。从敏感性分析结果可以得到参数相关性矩阵，用于帮助用户理解设计，提前预知优化目标和参数之间的关联性。同时也可生成MOP模型用于后续的优化。优化的目标是平均转矩最大化、转矩波动最小化、转子应力最小化，多目标优化结果如下图所示，用户可查看帕累托前沿，筛选最优设计方案。为了得到更优异的优化结果，用户可以基于一次敏感性分析得到的MOP模型进行多次优化尝试，这也是基于MOP模型优化的优势之一。例如，用户可以通过改变优化策略追求更高可靠性，即满足转矩指标的情况下转子应力最小化；或者追求更高电磁性能，即满足一定转子应力安全系数的情况下平均转矩最大化。新的优化尝试无需调用有限元求解器，只需10几分钟即可完成计算。4 总结
驱动电机功率密度和转矩密度的逐步提高，对电机的最高转速提出更高的要求，IPM电机如何兼顾电磁性能和结构强度来设计各处隔磁桥尺寸，是一个典型的多物理场权衡设计问题，很难凭借经验满足设计任务的要求，必须借助于专业的optiSLang优化工具。本文首先介绍了Workbench平台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。然后介绍了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。通过对IPM转子隔磁桥进行多物理、多目标优化设计，有助于用户找到最佳设计方案，既能提高电机性能，又能满足结构强度的要求，为用户进行电机优化设计提供了参考。
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