基于ANSYS Maxwell的电机多目标优化分析

47表1主要技术指标参数参数值参数参数值额定电压v183额定转速rmin额定电流a97额定功率kw30磁极位置内置式额定效率95畅5磁极形状磁极材料smgo28定子槽数48铁心长度mm1702磁极偏移与齿槽转矩的关系分析为便于分析假设永磁电动机电枢铁心的磁导率为无穷大因此电动机内存储的能量近似为永磁体和气隙的磁场能量之和可表示为永磁体的充磁方向长度
能量 W
α
相对于转子旋转角
的负导数，可表示为
Tcog
=
−
∂W ∂α
(2)
把
和 B（r2 θ） （h m
（/ h m
+
g（θ，α））2
进行傅里叶变换后展开，得到永磁同步电动机内磁场能量
和齿槽转矩的表达式。
当永磁体磁极偏移后，B（2r θ）的分布情况如图 1 所示，θ1 ~ θ2p 分别表示各个磁极所偏移的
角度。
图 1 永磁体偏移时 B（2r θ）示意图
B（2r θ）傅里叶分解的表达式为
∑∞
B（2r θ）= Br0 + Bran cos nθ + Brbn sin nθ
n=1
[hm （/ hm + g（θ，α）]2 的傅里叶展开表达式为
（3）
[ ] ∑∞
= G + hm
3
h m +g（θ，α）
0
Gncos n（z θ + α）
为槽数，
GCD（z，2p）
为
2p
和
z
的最大公约数。
由(6) ~(8)分析可知，当永磁体对称时，n 只有取值为 Np 的倍数时，该次谐波才不为零。
[6]
故可得知磁极偏移对整数槽永磁电动机的齿槽转矩的消弱是有明显效果的 。

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。

基于Maxwell软件的车用永磁有刷直流电机效率的优化基于Maxwell软件的车用永磁有刷直流电机效率的优化摘要：车用永磁有刷直流电机是目前广泛应用于电动汽车和混合动力汽车等交通工具的关键驱动装置。

其高效率和可靠性对电动汽车的性能和续航能力起着重要作用。

本文以Maxwell软件为工具，对车用永磁有刷直流电机的效率进行优化研究，通过分析永磁有刷直流电机的原理和特性，结合Maxwell软件的建模与仿真功能，探究了提高电机效率的关键因素和优化方法。

实验结果表明，在保持电机输出功率不变的情况下，通过优化磁路设计、改进绕组结构以及合理选择电机控制策略等手段，可以显著提高车用永磁有刷直流电机的效率。

关键词：车用永磁有刷直流电机；效率优化；Maxwell软件；磁路设计；绕组结构；电机控制策略一、引言随着全球能源危机和环境污染问题的日益突出，电动汽车作为一种清洁能源驱动的交通工具，受到了越来越多的关注和重视。

而其中的关键部件之一就是车用永磁有刷直流电机，它具有高效率、低噪音、大转矩密度等优点，是目前广泛应用于电动汽车和混合动力汽车等交通工具的关键驱动装置。

在电动汽车的性能和续航能力方面，电机的效率起着至关重要的作用。

提高车用永磁有刷直流电机的效率，可以有效降低能量损耗，提高汽车的续航能力，延长电池的寿命。

因此，对车用永磁有刷直流电机的效率进行优化研究，对于电动汽车的发展具有重要意义。

二、车用永磁有刷直流电机的效率优化方法1. 优化磁路设计车用永磁有刷直流电机的效率受到磁路设计的影响。

在Maxwell软件中，可以通过建立电机的磁路模型，对磁通分布进行仿真分析。

通过调整磁路结构，优化轴向磁通密度和径向磁通密度的分布，可以减小磁通漏磁、铁心损耗和旋转风阻，提高电机的效率。

2. 改进绕组结构绕组结构是影响车用永磁有刷直流电机效率的另一个重要因素。

合理设计绕组，减小电阻和铜损耗，优化电机的电磁特性，可以提高电机的效率。

在Maxwell软件中，可以通过建立绕组模型，对电机的电磁特性进行仿真分析，找到最佳的绕组结构。

基于Maxwell的机器人关节电机优化设计作者：张双双葛星梅陆欣云任思宇来源：《现代信息科技》2024年第05期收稿日期：2023-08-16基金项目：南京工业大学浦江学院2022年自然科学研究类项目（njpj2022-1-20）DOI：10.19850/ki.2096-4706.2024.05.039摘要：Halbach永磁同步电机吸纳永磁电机和Halbach永磁阵列的优点，被广泛地应用于机器人、新能源汽车、航空航天等领域。

为了减小180W机器人关节电机的气隙磁通密度波形畸变率，提高输出转矩和效率，提出一种改进的多目标优化方法。

将响应曲面法和布谷鸟算法相结合，对电机的永磁体厚度、转子厚度关键结构参数进行优化，建立Maxwell有限元模型进行对比分析。

研究结果表明，此优化方法能够有效改善电机的气隙磁密畸变率和转矩，提高优化效率。

关键词：Halbach永磁阵列；布谷鸟算法；有限元分析；多目标优化中图分类号：TP242.3 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）05-0179-05Optimization Design of Robot Joint Motor Based on MaxwellZHANG Shuangshuang1， GE Xingmei1， LU Xinyun2， REN Siyu1（1.Nanjing Tech University Pujiang Institute， Nanjing 211200， China; 2.Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China）Abstract： The Halbach permanent magnet synchronous motor incorporates the advantages of permanent magnet motors and Halbach permanent magnet arrays， and is widely used in fields such as robot， new energy vehicles， and aerospace. In order to reduce the distortion rate of the air gap magnetic flux density waveform of the 180W robot joint motor， improve the output torque and efficiency， an improved multi-objective optimization method is proposed. By combining the response surface method and the Cuckoo Search Algorithm， the key structural parameters such as the permanent magnet thickness and rotor thickness of the motor are optimized， and a Maxwell finite element model is established for comparative analysis. The research results indicate that this optimization method can effectively improve the air gap flux density distortion rate and torque of the motor， and improve optimization efficiency.Keywords： Halbach permanent magnet array; Cuckoo Search Algorithm; finite element analysis; multi-objective optimization0 引言由于机器人具有可靠稳定、工作效率高、能在高危环境下代替人工进行操作[1]等优点，在工业、军事、医疗等领域具有广泛的应用前景。