韓 巍，胡義軍，張文敏，牛超群

基于ironpython的Maxwell軟件二次開(kāi)發(fā)在永磁電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

韓 巍，胡義軍，張文敏，牛超群

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文介紹了基于ironpython語(yǔ)言對(duì)maxwell軟件從模型建立、邊界設(shè)定、激勵(lì)加載、網(wǎng)格剖分、求解以及結(jié)果后處理的二次開(kāi)發(fā)的方法步驟，并以一臺(tái)90kW永磁電機(jī)為例，利用開(kāi)發(fā)的軟件完成了從建模、激勵(lì)加載、優(yōu)化變量的設(shè)置到進(jìn)一步后處理結(jié)果選擇優(yōu)化方案。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程快速便捷，顯著地提高了電機(jī)設(shè)計(jì)效率，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

永磁電機(jī) 模型建立 二次開(kāi)發(fā) Ironpython Maxwell software

0 引言

永磁電機(jī)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)形式多樣。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，永磁電機(jī)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單地依賴(lài)磁路設(shè)計(jì)，需要積累大量的數(shù)據(jù)，以便獲取精確度高的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。這種設(shè)計(jì)方式無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。隨著有限元法的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)可以做到不依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)完成電機(jī)電磁設(shè)計(jì)，而且精度更高，設(shè)計(jì)結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比更加接近。但是應(yīng)用有限元法設(shè)計(jì)電機(jī)流程繁瑣，耗時(shí)長(zhǎng)，需要根據(jù)每臺(tái)電機(jī)的參數(shù)，完成建模、邊界設(shè)定、激勵(lì)加載、網(wǎng)格剖分等重復(fù)性工作，會(huì)占用設(shè)計(jì)人員的大量時(shí)間，不利于快速得到設(shè)計(jì)方案。為了提高設(shè)計(jì)效率，文章給出了借助于ironpython對(duì)Maxwell進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的方法，方便設(shè)計(jì)人員更加快捷方便的完成設(shè)計(jì)。

本文基于ironpython對(duì)Maxwell軟件進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，從電機(jī)定子模型、轉(zhuǎn)子模型、邊界設(shè)定、激勵(lì)加載，再到后處理，進(jìn)行參數(shù)化、程序化，并且針對(duì)定子槽型以及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行選型，設(shè)計(jì)過(guò)程中繞組的相數(shù)、節(jié)距、每槽導(dǎo)體數(shù)等參數(shù)不受限制，僅需輸入相應(yīng)的參數(shù)即可完成設(shè)計(jì)。據(jù)此，完成一款電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算從模型建立、邊界設(shè)定、激勵(lì)加載、網(wǎng)格剖分到求解設(shè)置僅僅需要幾分鐘，大大縮短了工程設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)人員工作效率。

1 基于ironpython的Mawell程序

利用ironpython對(duì)Maxwell進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，可以分為以下幾個(gè)模塊，包括變量定義、定子模型、轉(zhuǎn)子模型、邊界、激勵(lì)、網(wǎng)格設(shè)置及求解，結(jié)果后處理等。其中，定轉(zhuǎn)子分開(kāi)建模一方面便于建模過(guò)程中問(wèn)題的查找，另一方面永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極類(lèi)型多樣，分開(kāi)建模，便于轉(zhuǎn)子磁極的選型，可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境不同，選擇不同的轉(zhuǎn)子類(lèi)型。

程序設(shè)計(jì)流程如下：

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

1.1 變量定義

Maxwell中變量分為局部變量和全局變量，局部變量和全局變量的定義都是用命令oDesign. ChangeProperty來(lái)完成，通過(guò)參數(shù)加符號(hào)$加以區(qū)別，參數(shù)前面帶有“$”即為全局變量，否則為局部變量，以定子內(nèi)徑Di1為例，如果利用ironpython在Maxwell軟件中定義全局變量程序如下：

oDesign.ChangeProperty(

[

"NAME:AllTabs",

[

"NAME:LocalVariableTab",

[

"NAME:PropServers",

"LocalVariables"

],

[

"NAME:NewProps",

[

"NAME: $Di1",

"PropType:=" , "VariableProp",

"UserDef:=", True,

"Value:=", Di1

]

]

]

1.2 定子模型

定子鐵心模型的基本參數(shù)如表1所示，鐵心建?？衫肕axwell自帶的 UDP-Rxmprt-SlotCore，該模型將電機(jī)常用的典型的幾種槽型都包含在內(nèi)，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)人員絕大部分需要，還可以在基礎(chǔ)槽型上進(jìn)行自定義修改。故直接應(yīng)用其對(duì)應(yīng)的程序函數(shù)oEditor.CreateUserDefinedPart即可。

表1 定子鐵心基本參數(shù)表

定子線(xiàn)圈建模，具體程序如：

oEditor.CreateRectangle(

[

"NAME:RectangleParameters",

"IsCovered:=", True,

"XStart:=", "-coil_w/2",

"YStart:=", "Di1/2+hs0+hs1",

"ZStart:=", "0mm",

"Width:=", "coil_w",

"Height:=", "coil_h",

"WhichAxis:=", "Z"

],

程序包含線(xiàn)寬coil_w、線(xiàn)高coil_h、槽數(shù)slot_ num等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了程序的通用性，再次使用時(shí)，僅僅改變變量的值，即可快速實(shí)現(xiàn)模型建立。

1.3 轉(zhuǎn)子模型

永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極類(lèi)型多樣，針對(duì)不同的類(lèi)型形成不同的程序，可以通過(guò)條件語(yǔ)句來(lái)調(diào)用不同的轉(zhuǎn)子模型程序。例如，轉(zhuǎn)子"類(lèi)型1"對(duì)應(yīng)程序名為rotor1的程序，轉(zhuǎn)子"類(lèi)型2"對(duì)應(yīng)程序名為rotor2的程序，諸如此類(lèi)。程序如下：

if rotortype=="類(lèi)型1":

oDesktop.RunScript("e:\Maxwell\python\rotor1.py")

elif rotortype=="類(lèi)型2":

oDesktop.RunScript("e:\Maxwell\python\rotor2.py")

永磁電機(jī)極數(shù)較多，為了簡(jiǎn)化模型方便分析，往往建立模型時(shí)選取一對(duì)極，處理方法為建立局部坐標(biāo)，利用局部坐標(biāo)系數(shù)對(duì)全模型進(jìn)行切割，形成一對(duì)極模型。轉(zhuǎn)子模型的建立和定子模型類(lèi)似，可參照定子模型進(jìn)行修改。此處不再重復(fù)。

1.4 邊界、激勵(lì)及網(wǎng)格設(shè)置

一對(duì)極的永磁電機(jī)一般要設(shè)置外邊界矢量為0邊界以及模型周期對(duì)稱(chēng)邊界，其主要是通過(guò)選中外圍邊界線(xiàn)的ID號(hào)實(shí)現(xiàn)，以矢量為0邊界為例，程序如下，首先根據(jù)位置坐標(biāo)定位邊界所在的邊的ID號(hào)，然后將其賦予矢量為0。

激勵(lì)設(shè)置時(shí)，繞組的分相工作量較大，電機(jī)的繞組連接形式多樣，一般常見(jiàn)的相帶為按照A、Z、B、X、C、Y排列的60°相帶，可以根據(jù)繞組所在位置編號(hào)以及每極每相槽數(shù)，通過(guò)循環(huán)程序來(lái)定位線(xiàn)圈所在的相帶。此外，為了保證繞組不受相數(shù)限制可以為十二相、六相以及三相等，其電流激勵(lì)加載可以通過(guò)讀取不同的外電路*.sph文件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

網(wǎng)格設(shè)置一般僅需要選擇對(duì)應(yīng)面物體的名稱(chēng)，給出最大網(wǎng)格長(zhǎng)度。以永磁體為例，設(shè)其最大網(wǎng)格長(zhǎng)度為永磁體厚度mag_h的三分之一。

1.5 結(jié)果后處理

計(jì)算完成后，有些結(jié)果需要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后以*.cvs的形式存儲(chǔ)。以相電壓為例，相電壓波形進(jìn)行FFT后，數(shù)據(jù)以Uamag.csv的形式保存，程序如下：

oModule.CreateReport("XY Plot 1", "Transient", "Rectangular Plot", "Setup1 : Transient",

[

"Domain:=", "Spectral",

"StartTime:=" , 1/Ifrequence/step_num*2,

"EndTime:=" , 1/Ifrequence+1/Ifrequence/step_num*2,

"MaxHarmonic:=" , 101,

"NumSamples:=", step_num+1,

"WindowType:=", 0,

"Normalize:=", 0,

"Periodic:=", 0,

"FundementalFreq:=", Ifrequence,

"CutoffFreq:=", 0

],

[

"Freq:=", ["All"],

"Di1:=", ["Nominal"],

],

[

"X Component:=", "Freq",

"Y Component:=", ["mag (NodeVoltage(IVa1))"]

], [])

oModule.ExportToFile("XY Plot 3", "E:/Maxwell//opt/Uamag.csv")

程序中變量Ifrequece表示電源頻率；step_num表示一個(gè)電周期的計(jì)算步數(shù)。這里只列舉了Freq和Dil，需要其他相關(guān)參數(shù)在程序相同位置添加即可。

2 永磁電機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

以一臺(tái)90 kW永磁電機(jī)為例，借助ironpython對(duì)Maxwell軟件二次開(kāi)發(fā)的程序，對(duì)永磁磁極進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，并且對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果人工參與判斷、選擇滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的優(yōu)化方案，該永磁電機(jī)具體參數(shù)如表2所示。

表2 90 kW永磁電機(jī)電磁設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)表2的設(shè)計(jì)參數(shù)，完成具體參數(shù)變量的輸入后，從模型建立、加載邊界激勵(lì)、設(shè)置優(yōu)化變量及目標(biāo)變量求解，一鍵完成，得到的永磁電機(jī)模型如圖2所示：

圖2 永磁電機(jī)模型

優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程以偏心距和極弧系數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)量最小、電磁轉(zhuǎn)矩滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求為目標(biāo)變量，以氣隙磁密、功率因數(shù)為作為參考變量，按照上述程序格式進(jìn)行修改程序即可。

計(jì)算完成后，需要輸出多個(gè)優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果，包括電磁轉(zhuǎn)矩平均值、電磁轉(zhuǎn)矩峰峰值、電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)量等，將這些結(jié)果保存在指定的工作文件夾，通過(guò)python編寫(xiě)的界面程序進(jìn)一步讀取計(jì)算結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理后呈現(xiàn)出來(lái)，呈現(xiàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果截圖如圖3所示。

圖3 優(yōu)化方案列表截圖

圖4 空載徑向氣隙磁密

設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)目標(biāo)變量電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合電機(jī)的功率因數(shù)以及氣隙磁磁密的計(jì)算結(jié)果，綜合分析選擇出最優(yōu)的方案。

優(yōu)化過(guò)程中的一些曲線(xiàn)以及分布云圖等也可以圖片的形式存儲(chǔ)，方便后期撰寫(xiě)報(bào)告讀取，90 kW永磁電機(jī)優(yōu)化的過(guò)程中氣隙磁密分布圖及氣隙磁密的傅里葉分析圖如圖4、5所示。

圖5 空載氣隙磁密FFT圖

3 結(jié)語(yǔ)

基于ironpython的maxwell軟件的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了永磁電機(jī)從模型建立、邊界設(shè)置、激勵(lì)加載、網(wǎng)格剖分以及求解設(shè)置的參數(shù)化設(shè)計(jì)，一方面減少了設(shè)計(jì)人員的重復(fù)性工作，提高了設(shè)計(jì)人員的工作效率；另一方面通過(guò)對(duì)maxwell的二次開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)人員僅需輸入設(shè)計(jì)參數(shù)，即可完成設(shè)計(jì)，整個(gè)過(guò)程避免了設(shè)計(jì)過(guò)程中人為操作的錯(cuò)誤，提高了設(shè)計(jì)邊界的準(zhǔn)確性；此外，二次開(kāi)發(fā)的過(guò)程集中設(shè)計(jì)人員多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)使得設(shè)計(jì)過(guò)程更加固化統(tǒng)一，不會(huì)因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員習(xí)慣操作不同，導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果出現(xiàn)偏差。

[1] 唐任遠(yuǎn)等．現(xiàn)代永磁電機(jī)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

[2] 姚維康, 徐余法, 黃厚佳, 閆鑫洋. 基于VBA的Maxwell二次開(kāi)發(fā)在無(wú)刷交流勵(lì)磁機(jī)電磁計(jì)算中的應(yīng)用[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用, 2018, 45（12）: 82-87．

[3] 徐媛媛, 葛紅娟, 荊巖. 永磁同步電機(jī)偏心磁極優(yōu)化設(shè)計(jì). 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)[J]. 2013, 34(7): 873-877．

The Secondary Development of Maxwell Software Based on Ironpython and its Application in a Permanent Motor Design

Han Wei, Hu Yijun, Zhang Wenmin, Niu Chaoqun

( Wuhan Marine Electric Propulsion Research Institute, Wuhan 430064, China )

TM351

A

1003-4862（2021）07-0014-04

2021-05-13

韓?。?977-），男，高工。研究方向：永磁電機(jī)工程設(shè)計(jì)研究。E-mail：hw1208@sina.com