Maxwell参数化建模和优化分析

Maxwell参数化建模和优化设计

1前⾔

随着产业升级，各领域⼯业产品的性能指标需求逐步提⾼，设计⼯程师们发现仅依靠理论

和经验难以完成设计任务，在这种情况下借助⾼性能计算机和专业的仿真设计软件，让“电脑”代替“⼈脑”从海量的解集中搜寻最优设计⽅案成为必然趋势，设计⼯程师正逐渐转变为优化

算法策略的设计者。

以电机设计为例，电机的设计参数众多，同时涉及到多物理场的强耦合，电机⼯程师⾯对

的是⼤规模、⾼难度的优化设计问题。解决如此复杂的⼯程问题有两个重要的基础⼯作：即建

⽴复杂的参数化⼏何模型和制定合理的多⽬标优化策略并⾼效实施。ANSYS Maxwell作为业界最佳低频电磁场仿真设计软件，提供了多种⼏何参数化建模的⽅法，适⽤于不同复杂程度的⼯

程问题；同时，借助于ANSYS Workbench平台电磁、结构、流体以及优化模块，可进⾏电机

多物理场耦合的多变量多⽬标优化设计，另外借助于ANSYS平台强⼤的并⾏、分布式计算能⼒，⼯程师可在最短的时间内对复杂优化策略进⾏分析和验证，快速实现产品迭代创新。本⽂

将从参数化建模、优化设计两个⽅⾯介绍Maxwell的相关功能。

2参数化建模

通常可以将模型的⼏何参数、材料属性、温度、激励等设计参数设置成变量，当改变变量

的时候，模型会⾃动更新，以达到参数化模型的⽬的。参数化模型的优点：对设计参数进⾏更

改后模型会⾃动更新，可以快速⽅便的调整模型；轻松定义和⾃动创建同⼀系列的模型；便于

参数分析和优化分析；便于灵敏度分析、统计分析、公差分析等。参数化模型的⽬的：对于在

校学⽣可以快速搞清设计参数与性能指标的关系，加深对理论的理解；对于仿真⼯程师⽽⾔缩

短了建模时间、提⾼⼯作效率；对于研发⼯程师是产品优化设计、创新设计的重要基础⼯作。

Maxwell可以实现的参数化设置如下：

①⼏何模型参数化；

②激励源/外电路参数化；

③材料属性参数化；

④温度参数化；

⑤⽹格参数化；

⑥求解设置参数化。

对于ANSYS Maxwell平台的仿真分析，我们可⽤的⼏何参数化建模⽅法⼤致分为以下⼋种，

其中前4种是⽬前⼤多数⼯程师都在采⽤的，⽐较直观简单，容易操作，第5种⽤户⾃定义UDP 建模使⽤起来稍有难度，但是对于复杂⼏何模型来说其建模效率很⾼，⽤户只要具有⼀定的C 或Python编程基础，读懂软件⾃带模板的代码，参考帮助⽂件，稍加练习，都可以掌握，这种⽅法结合Maxwell的脚本功能可以更⽅便的实现完整仿真模型的参数化建模；第6/7种⽅法需要利⽤到Workbench平台中的⼏何建模⼯具，最后⼀种是借助第三⽅建模⼯具进⾏参数化设计。总之，⽤户可以利⽤的⽅法很多，适合不同复杂程度的⼯程问题。

①Maxwell直接参数化建模；

②Maxwell导⼊CAD图纸⽣成建模历史并参数化；

③RMxprt导⼊Maxwell参数化建模；

④Maxwell内置UDP模型参数化建模；

⑤⽤户⾃定义UDP参数化建模；

⑥导⼊ANSYS DesignModeler绘制的参数化模型；

⑦导⼊ANSYS SpaceClaim绘制的参数化模型；

⑧导⼊Solidworks等第三⽅⼏何建模⼯具绘制的参数化模型。

2.1Maxwell直接参数化建模

Maxwell⾃带⼀个⼏何建模框架，这个框架与某些专业CAD⼯具不同，它是基于点、线、⾯、体、布尔运算、平移、旋转、阵列等功能绘制⼏何模型，虽然对于初学者来说略显繁琐，但是这种建模⽅法可以⾮常直观、精确的实现⼏何的参数化，因为Maxwell建模过程基于历史树，每个建模步骤的参数都可以随时进⾏再编辑，⽤户可直接将数字量改为变量或表达式，即可实现参数化建模，同时软件内部有⼀些内置的变量可以直接使⽤。

新建变量时，如下⼏点规则需要注意。

①Maxwell定义的变量要以字母、数字和下划线组成；

②变量不能以数字开头；

③不要⽤系统的预留变量名、单位、常量名来定义变量；

④Project变量要以$开头；

⑤尽量使⽤可读性⽐较强的变量名；

⑥不区分⼤⼩写。

预留变量名、单位名、常量名都可以直接使⽤，如常⽤的Time、position、speed、pi变量等。

表达式在运算过程中会带单位运⾏，如果变量不带单位，则会使⽤软件默认的单位。另外，需要注意的是，表达式中的变量是带单位运⾏的，例如，当定义了gamma变量，其单位为deg，则表达式gamma/180结果的单位还是deg，如⽤户需要得到⽆单位的结果，可将表达式写成gamma/180/1deg。

下⾯为使⽤Maxwell⾃带建模框架进⾏直接⼏何参数化建模的例⼦，在这个过程中，所有坐标点、平移的距离、旋转的⾓度、sweep的⾓度或距离、圆弧半径、矩形的长宽、阵列的数量等等都可以通过变量来驱动。

在Maxwell中绘制⼀个圆形⾯域Circle1，并将半径定义为变量rad。

绘制⼀条直线Polyline1，修改直线起始坐标点为与变量a、b有关的量。

选中Polyline1，执⾏sweep along vector操作，⽣成⼀个长宽为a、b的矩形，我们可以通过控制Vector变量来控制矩形的⾯积。

如果需要对两个模型进⾏相减运算，我们可以通过窗⼝上⽅的⼯具栏找到布尔运算命令快速实现模型间的布尔运算，如Subtract等。

我们可以很⽅便的对倒⾓命令进⾏参数化。⾸先切换到Vertices选择模式，选中需要倒⾓的顶点，如选中矩形四个顶点执⾏fillet操作，将fillet半径设置为变量Rf。

设置拉伸长度为变量thick。

变量h。

置阵列⾓度为360deg/num，num为阵列个数，需勾选Attach to original object。

如⽤户需要查看参数化模型动画，可通过如下⽅法实现。

2.2Maxwell导⼊CAD图纸⽣成建模历史并参数化

对于⼀些简单的⼏何模型，可以将模型的dxf、dwg等CAD图纸导⼊Maxwell，利⽤软件的⽣成建模历史功能，在软件内部识别模型中的点、线、⾯，然后⼿动对需要参数化的⼏何特征进⾏变量设置以实现参数化。下⾯以电磁阀案例进⾏说明。

在Modeler>Import处导⼊CAD图纸，软件⽀持导⼊多种⽂件格式，但并⾮全部模型均⽀

持⽣成建模历史。选中模型并执⾏Modeler>Generate History⽣成建模历史。

变量，达到模型参数化的⽬的。

数表⽰凸起，负数表⽰缩进，Move的距离可设置为变量并参数化扫描。

在Maxwell3D中，可以使⽤move faces功能来快速实现槽⼝宽度参数化。

执⾏Modeler>Import…导⼊CAD图纸，右键切换选择模式Selection Mode>Faces

⾸先选中槽⼝对应的⾯，然后执⾏Edit>Surface>Move Faces>Along Normal操作，最后将移动距离设置为变量d。移动的距离若为正数则表⽰突出，若为负数则表⽰缩进。

利⽤倒⾓功能可以对任意顶点进⾏倒⾓建模，倒⾓分为fillet圆⾓，charm切⾓两种，倒⾓尺⼨也可实现参数化。如对电机定⼦齿部进⾏圆⾓参数化可按如下操作进⾏。

2.3RMxprt导⼊Maxwell参数化建模

RMxprt是AEDT中基于磁路法的旋转电机专家设计⼯具，在RMxprt建模过程中，可以将电机的⼏何尺⼨等设置为变量或表达式，并利⽤其“⼀键有限元”功能⽣成Maxwell仿真模型，RMxprt中定义的变量也会⾃动传递到Maxwell模型中。

以软件⾃带的assm-1为例，如将定⼦槽型尺⼨设置为变量。若电机是平⾏齿，不能直接使

⽤Parallel Tooth定义的齿宽，因为齿宽不会传递到Maxwell，我们需要将Bs1和Bs2⼿动定义，通过控制这两个变量来等效平⾏齿对应的槽宽度。

RMxprt 计算完成后，可⼀键⽣成有限元模型，可以在Maxwell 中参看定义的变量，软件传递了RMxprt 中⼿动定义的变量除线圈匝数变量，线圈匝数变量TC 虽然实现了传递，但未⾃动赋值，需⼿动修改，可以List 功能对线圈匝数进⾏批量修改。

2.4Maxwell 内置UDP 模型参数化建模

Maxwell 软件内置了⾮常多的UDP 模型库，包含了各种常⽤的电机冲⽚、线圈、机壳、变压器等模型，⽤户可以直接调⽤并将其中的⼏何尺⼨设置为变量，快速实现参数化建模。

UDPs 模型同时⽀持2D 和3D 建模，UDPs 模型的⼏何尺⼨可直接填写表达式实现参数化建模。⽤户可通过Maxwell 的帮助⽂档中的介绍，详细了解UDPs 参数和使⽤说明。UDPs 的打开⽅式为Draw>User Defined Primitive>RMxprt 。

同⼀个UDP模型可利⽤Info选项，分别定义冲⽚、磁钢、磁钢槽、求解域等模型，如为0是冲⽚，1是磁钢，2是磁钢槽等。

InforCore=0InforCore=1InforCore=2

我们可以对多个UDP模型做布尔运算，来组合出更为复杂的⼏何模型，对于UDP模型也可以进⾏倒⾓操作来增加模型细节，下⾯是⼀个简单的⽰例，⽤两个IPMcore实现V⼀磁钢结构形式。

⽬前，⾃带的UDP库包含很多电机部件的模型，如定⼦模型、转⼦模型、绕组模型、轴向磁通电机&直线电机等，涉及到永磁、感应、磁阻类电机。

定⼦模型：

转⼦模型：

Double Cage SRM Core Salient Pole Core

SynRM Core PM Core PM Core

绕组模型：

Lap Coil Wave Coil Con Coil 轴向磁通电机&直线电机：

新版本UDP内置了空⼼杯电机绕组模型。通过Draw>User Defined Primitive>RMxprt> CupCoil实现。

InfoCoil=0

InfoCoil=1

2.5⽤户⾃定义UDP参数化建模

UDP是⼀个开放的框架，开发即意味着⽆限的可能性，⽤户可参考help⽂档编写⾃⼰的UDP脚本模型，⽀持python或C，⽤户⾃建的UDP模型可以像⾃带模型⼀样被调⽤，对于复杂的⼏何模型来说⼗分的⾼效。

⽰范案例和UDP安装默认地址：C:\\Program

Files\\AnsysEM\\AnsysEM19.4\\Win\\syslib\\UserDefinedPrimitives\\Examples。UDP脚本的构架并不复杂，⽤户通过学习标准例⼦，并参考它从简单模型开始编写就可以掌握。

UDP脚本构架：

UDP说明：

UDP默认输⼊和默认值：读取输⼊数据和主函数：

建模⽰例：

如⽤户通过语⾔编写了UDP脚本程序，可将程序⽂件复制到UDP安装默认地址：C:\\Program Files\\AnsysEM\\AnsysEM19.4\\Win\\syslib\\UserDefinedPrimitives\\Examples。然后在软件中更新⼀下即可使⽤。

V_Shape_IPM_Rotor UDP模型介绍：现代永磁电机转⼦结构千变万化，内置UDP⽆法满⾜需求，为此ANSYS China技术团队将陆续开发⼀系列⾃定义UDP模型，本次发布的模型具有如下⼏个特点。

①⽀持36个⼏何参数；

②⽀持Maxwell2D/3D；

③⽀持V字、⼀字、双V、双⼀、V⼀结构；

④⽀持转⼦多组辅助槽；

⑤磁钢⼏何尺⼨已作约束，便于参数优化设计；

⑥基于Python编写，代码开源。

通过改变InforCore的值实现定义冲⽚、磁钢、磁钢槽等模型。

InforCore=0InforCore=1

InforCore=2InforCore=3

通过对UDP进⾏布尔运算可得到单V、单⼀、双V、V⼀等结构形式。单V：

单⼀：