干货分享|JMAG电磁场和结构应力多物理场优化分析！
1前言机电产品设计包含结构场设计、电磁场设计、流体场设计、声场设计；因此如何使产品具有足够的竞争力，成为满足客户性价比的产品，就必须针对产品进行挖掘性的研究。之前大家通常比较专注电机的电磁性能，通常通过将几何尺寸参数化，以转矩均值最大、转矩波动最小、损耗最低、效率最高等作为优化目标。本次我们不仅以电磁性能最优作为优化目标，同时需要满足结构应力的要求。在IPM电动机中，在转子内存在永磁体与隔磁磁桥。隔磁磁桥的目的是防止磁铁的磁通穿透相邻的磁极这样能有效地将磁力转换成扭矩。因此，为了增加相邻磁极之间的磁路磁阻，从提高转矩的角度来看，希望使桥接部分变薄。然而，当优先考虑扭矩进行设计时，桥接部分的强度问题（在低旋转时不明显）可能在高旋转时由于高离心力导致破损。为了防止高速时的机械问题，有必要同时考虑高速时的离心力引起的应力和扭矩特性来设计转子，这是一种权衡关系。在该示例中，介绍了一种应用，其中使用高旋转（10,000r / min）的离心力下转子应力和5,000r / min时的扭矩为目标函数执行多目标优化。本文的案例来之JSOL官网的JAC223IPM-Optimazation应用案例。2分析目的（1）分析模型本案例分析的模型是48槽8极电机。图1 分析模型（2）输入和目标参数表1 输入参数和目标参数表输入参数目标参数磁铁位置Mises应力磁铁厚度转矩平均值磁铁宽度隔磁磁桥角度（隔磁磁桥和磁铁槽夹角）隔磁磁桥深度（隔磁磁桥距外圆距离）隔磁磁桥宽度（隔磁磁桥间隙）3分析流程图图2 新老版本流程图JMAG从17.0版本开始对优化流程进行了简化。V16.1及其之前的版本需要计算一个case后才能够设置优化目标，而从17.0版本开始无需这一步，即在计算之前就能够设置输出结果的变量为响应变量并设置为优化目标。4操作流程（1）导入几何模型将CAD绘制的几何模型导入JMAG Geometry中或者直接在Geometry中绘制几何模型。图3 几何模型（2）几何尺寸约束JMAG中通过标注尺寸参数就能起到约束的作用，如下需要约束输入变量，包括磁铁位置距离、磁铁厚度、磁铁宽度、隔磁磁桥角度（隔磁磁桥和磁铁槽夹角）、隔磁磁桥深度（隔磁磁桥距外圆距离）。图4 磁铁位置距离 图5磁铁厚度图6 磁铁宽度 图7 隔磁磁桥角度（隔磁磁桥和磁铁槽夹角）图8 隔磁磁桥深度（隔磁磁桥距外圆距离） 图9隔磁磁桥宽度（隔磁磁桥间隙）（3）其他约束CAE软件在进行优化计算时，当几何参数发生变化时，很有可能产生干涉的几何模型，因此要评估输入变量改变时几何模型的变化情况，以便设置其他的约束，保证输入变量联动改变时几何模型不发生干涉。图10 转子几何约束（4）创建研究 创建一个电磁场瞬态Study和一个结构应力Study。图11 创建Study（5）JMAG Designer几何参数选择 在JMAG-Designer中磁场瞬态分析Study和结构静态Study分别选择输入的几何参数， 如下图。图12 Select CAD Parameters...操作图13 几何参数界面图14 几何参数界面（6）瞬态磁场分析Study设置1）材料、条件、电路、网格、步控制设置材料、条件、电路、网格、步控制设置与通用的2D瞬态磁场分析方法是一致的，这里不做详细分析。如下图所示。图15 瞬态电磁场设置2）目标参数设置 设置转矩平均值为响应变量，以便可以在优化界面中将其设置为优化目标。图16 设置转矩平均值响应变量（7）2D 结构静态分析设置1）抑制零件本案例的2D 结构静态分析是分析转子结构的强度，因此将定子铁芯和绕组零件抑制，如图17所示进行操作。这样操作后，这两个零件将不起作用，如图18所示。图17 抑制零件图18 抑制后转子模型2）材料、条件、网格、求解器设置2D结构静态分析的材料、条件、网格、求解器设置方法和通用结构强度分析一样，这里不做详细赘述，设置后界面如图19所示。图19 2D结构静态分析设置 3）目标参数设置 按图20-23创建转子铁芯上米歇尔应力最大值的位置为响应值，由于为静态分析，因此响应值为单值。图20 增加零件计算图21 转子铁芯最大Mises Stress计算设置图22 创建Mises Stress最大值响应变量图23 响应变量设置界面（8）创建优化分析组本案例优化涉及两个不同的分析研究，因此需要通过按如图24所示操作创建优化分析组。图24 创建优化分析组（9）优化参数设置1）创建全局变量按图25-28所示创建所有输入参数为全局变量，目的是通过这里的变量就能同时驱动两个study中的几何参数。图25 创建全局变量操作图26 创建全局变量后界面图27 全局变量定义界面图28 创建后初始值和对应尺寸个数2）设置输入变量范围图29 输入变量范围3）设置优化引擎和相关参数图30 优化引擎选择和代数、每代个数设置4）运行图31 运行按钮5结果分析（1）在IPM电动机中，一般转子中存在隔磁磁桥。隔磁磁桥的目的是防止磁铁的磁通穿透相邻的磁极以便能够有效地将磁通转换成扭矩。因此，为了增加相邻磁极之间的磁路磁阻，从提高转矩的观点来看，希望使桥接部分变薄。然而，当优先考虑扭矩进行设计时，桥接部分的强度问题（在低旋转时不明显）可能在高旋转时由于高离心力导致破损。图32 转子优化设计参数（2）下图显示了初始一代最小的Mises应力个体（1）和最大平均扭矩个体（2），以及第10代个体B和C。 尽管（1）和B具有几乎相同的Mises应力，但可以看出B的平均扭矩提高了大约36％。 另外，即使（2）和C具有几乎相同的Mises应力，也可以确认C的平均扭矩提高了大约15％。图33 初始和第10代人口的性能（3）下图显示了A\B\C三个方案。桥部最薄的形状（C），应力最高。 相反，当桥接部分比较厚的形状（A，B）时，Mises应力较低，因此可以看出保持桥接部分的厚度对于抑制Mises应力是有效的。图34 第10代个体的Mises应力分布图（4）下图显示了A\B\C三个方案。对于桥接部分较厚的方案（A，B），磁力线穿过桥接部分进入相邻磁极，导致转矩减小。 另一方面，对于具有小桥接的（C）方案，由于桥接部分较薄，饱和度高，所以磁阻大，漏磁小，所以流入气隙中的磁通多，因此获得高转矩值。图35 第10代个体的磁通密度和磁力线的分布图 6小结随着电机要求越来越高，往往希望电机具有高性能、低成本、低振动噪音、短开发周期，并且还需要满足最恶劣环境下的抗退磁性能要求，因此多目标、多物理场的优化就显得非常重要，它能加快电机工程师的开发周期，并且能在满足众多要求的前提下得到最优的方案。来源：艾迪捷
