基于Python與Ansoft的混合式直線力電機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究

王子旋，黎向鋒，肖一秦鵬，胡嘉琨，徐禮林，左敦穩(wěn)

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016；2.南京機(jī)電液壓工程研究中心，南京 211106；3 航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 211106)

0 引 言

混合式直線力電機(jī)電磁計(jì)算公式繁多，公式中內(nèi)嵌有循環(huán)，需要在多種不同參數(shù)組合下完成計(jì)算，這種復(fù)雜計(jì)算是手工計(jì)算難以完成的。目前，混合式直線力電機(jī)的設(shè)計(jì)主要采用Ansoft對電機(jī)磁場進(jìn)行有限元仿真，再根據(jù)仿真結(jié)果修改Ansoft中的電機(jī)結(jié)構(gòu)，直到獲得理想的結(jié)構(gòu)參數(shù)[1]。這種方法異常繁瑣，亟待對電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)模型進(jìn)行封裝，開發(fā)出操作簡便、計(jì)算快速的混合式直線力電機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以縮短電機(jī)的研發(fā)周期。

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對電機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]開發(fā)了基于VB與MATLAB混合編程的永磁同步電動機(jī)電磁設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)了可視化輸入數(shù)據(jù)、快速計(jì)算電機(jī)輸出量，并且具有友好的界面和表格導(dǎo)出功能。以一臺15 kW、4極永磁同步電機(jī)為例，驗(yàn)證了該軟件的設(shè)計(jì)便捷性。文獻(xiàn)[3]開發(fā)了一套基于Ansoft的永磁同步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過VB和Ansoft的無縫連接實(shí)現(xiàn)了電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的輸入、電機(jī)模型分析以及結(jié)果導(dǎo)出功能，輔助電機(jī)設(shè)計(jì)人員的工作。文獻(xiàn)[4]使用Python開發(fā)了針對永磁同步電機(jī)的自動化軟件，相比于前兩篇文獻(xiàn)擁有更高的自動化程度。軟件包括以下模塊：Machine Winding Creator模塊負(fù)責(zé)電機(jī)繞組的自動生成，Machine Design Creator模塊負(fù)責(zé)創(chuàng)建二維Ansoft電機(jī)仿真模型，Machine Design Analysis模塊負(fù)責(zé)計(jì)算電機(jī)性能，Machine Design Optimization模塊用于電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，Machine Design Visualization模塊用于電機(jī)結(jié)構(gòu)可視化。目前針對混合式直線力電機(jī)的自動化設(shè)計(jì)軟件的研究仍很少，且混合式直線力電機(jī)的快速迭代設(shè)計(jì)仍需人工操作，異常繁瑣。

Ansoft仿真軟件只支持Python與VB腳本錄制與執(zhí)行[5]。Python語言具有簡潔的語法、豐富的科學(xué)計(jì)算和圖形開發(fā)庫，便于自動化設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)。本文以Python為系統(tǒng)主體開發(fā)語言，通過Python與Ansoft軟件的交互，實(shí)現(xiàn)混合式直線力電機(jī)的參數(shù)化建模，自動計(jì)算電機(jī)的驅(qū)動力與線性度，通過采樣分析找到結(jié)構(gòu)參數(shù)對驅(qū)動力和線性度影響趨勢，代替繁瑣的手動迭代設(shè)計(jì)過程。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1.1 尺寸驅(qū)動法

參數(shù)化建模軟件的常見編程方法有程序驅(qū)動和尺寸驅(qū)動兩種[6]。第一種方法是開發(fā)者通過調(diào)用API函數(shù)進(jìn)行完整建模，一般用于開發(fā)具有復(fù)雜形狀零件的參數(shù)化建模，操作難度較大，建模過程耗時較長，編程復(fù)雜度高并且執(zhí)行效率較低。第二種方法是將關(guān)鍵尺寸參數(shù)從目標(biāo)模型中提取出來，不改變其結(jié)構(gòu)特征，通過改變關(guān)鍵尺寸參數(shù)來得到外形結(jié)構(gòu)相同但是尺寸不同的目標(biāo)模型。尺寸驅(qū)動法運(yùn)用關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)替代完整建模過程，能夠更有效率地完成零件設(shè)計(jì)工作[7]。

如圖1所示，混合式直線力電機(jī)主要由端蓋、軸承、軸、銜鐵、外套等部件及密封圈、螺母、螺釘?shù)葮?biāo)準(zhǔn)件組成，其中左支撐架、外套、線圈骨架、線圈、右支撐架、磁鋼、導(dǎo)磁環(huán)及銜鐵是其核心零件[8]，它們的相對位置以及形狀是不會改變的。如果使用程序驅(qū)動法，每次微調(diào)電機(jī)結(jié)構(gòu)都需要重新建立電機(jī)模型，時間復(fù)雜度較高，且造成了不必要的計(jì)算資源浪費(fèi)；如果使用尺寸驅(qū)動法，每次只需要改變電機(jī)的幾個特定零件的尺寸和位置，時間復(fù)雜度較低，所以本文使用尺寸驅(qū)動法作為參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的編程準(zhǔn)則。

圖1 混合式直線力電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 Ansoft與Python混合編程方法

打開關(guān)閉Ansoft軟件、改變坐標(biāo)點(diǎn)值、改變邊界條件、分配材料屬性、輸出仿真結(jié)果等所有手動操作均可以通過腳本功能自動完成[9]。Python是一種面向?qū)ο蟮摹討B(tài)的、解釋型的程序設(shè)計(jì)語言[10]，適用于參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的敏捷開發(fā)。

Python通過PyWin32模塊來訪問Windows操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口(Windows API)，與VB調(diào)用Ansoft的方式相同，Python自動化接口把Ansoft作為RPC服務(wù)器來傳遞控制信息[11]。Python通過執(zhí)行以下代碼直接操作Ansoft，實(shí)現(xiàn)模型修改以及仿真結(jié)果的實(shí)時觀測和分析。

# 打開一個自動客戶端對象

ansoft_app =

client.DispatchEx('AnsoftMaxwell.MaxwellScript Interface')

# 獲得 Ansoft 桌面對象

desktop = ansoft_app.GetAppDesktop()desktop.RestoreWindow()

# 打開 Ansoft 仿真文件

desktop.OpenProject('path of ansoft file')

projector = desktop.SetActiveProject('XC21')

designer = projector.SetActiveDesign('MaxwelDesign1')

editor = designer.SetActiveEditor('3D Modeler')

# 獲得 Optimetrics 模塊對象

op_module = designer.GetModule("Optimetrics")

# 獲得 ReportSetup 模塊對象

report_module = designer.GetModule("ReportSetup")

2 系統(tǒng)模塊功能及實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體框架

混合式直線力電機(jī)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，Ansoft內(nèi)置的參數(shù)掃描功能無法定義其結(jié)構(gòu)參數(shù)的變動規(guī)則，所以參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)增加了一些特殊的約束和特征。如圖2所示，參數(shù)化系統(tǒng)由Ansoft通信模塊、圖形管理模塊、結(jié)構(gòu)參數(shù)管理模塊和交互界面這4個部分組成。配置文件里記錄結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍與Ansoft仿真文件的地址。

圖2中箭頭有兩種不同的方向，第一個方向是從Ansoft模型端流向用戶端，作用是讀取不同初始尺寸的Ansoft電磁仿真模型，記錄電機(jī)所有零件的位置和尺寸。數(shù)據(jù)在流動過程中經(jīng)過以下處理步驟：

(1)Ansoft通信模塊使用Python程序直接和Ansoft軟件進(jìn)行交互，讀取電機(jī)磁場有限元仿真模型中的所有坐標(biāo)點(diǎn)值以及圖形的名稱和屬性。

(2)圖形管理模塊對Ansoft通信模塊中讀取到的坐標(biāo)點(diǎn)值和圖形屬性進(jìn)行分解計(jì)算，轉(zhuǎn)化為多個不同的圖形和圖形特征，包括角度特征、拉伸特征、斜線拉伸特征等。

(3)結(jié)構(gòu)參數(shù)管理模塊對圖形管理模塊中提取到的特征圖形進(jìn)行組合計(jì)算，轉(zhuǎn)化7個電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括線圈匝數(shù)、氣隙角度、氣隙軸向?qū)挾取⒋配搶挾取?dǎo)磁環(huán)寬度、磁鋼厚度以及銜鐵厚度。

(4)交互界面用于顯示電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)值，提供電機(jī)驅(qū)動力和驅(qū)動力線性度的計(jì)算功能、解析各結(jié)構(gòu)參數(shù)對驅(qū)動力以及線性度影響趨勢的采樣分析功能。

第二個方向是從用戶端流向Ansoft端。用戶在交互界面上改變電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而改變實(shí)際的電機(jī)仿真模型。數(shù)據(jù)在流動過程中經(jīng)過以下處理步驟：

(1)用戶通過交互界面改變電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值。

(2)結(jié)構(gòu)參數(shù)管理模塊讀取系統(tǒng)交互界面中的電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過內(nèi)部設(shè)定的變動邏輯，將單個結(jié)構(gòu)參數(shù)的變動，分解為多個圖形特征的變動邏輯。

(3)圖形管理模塊讀取結(jié)構(gòu)參數(shù)模塊中的圖形特征變動邏輯，并轉(zhuǎn)化為具體坐標(biāo)點(diǎn)的變化。

(4)Ansoft通信模塊讀取圖形管理模塊中的變動坐標(biāo)點(diǎn)，并封裝為通信代碼發(fā)送給Ansoft，改變磁場仿真模型。

圖2 混合式直線力電機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架圖

2.2 Ansoft通信模塊

Ansoft通信模塊基于PyWin32庫開發(fā)，使用Python程序直接與Ansoft進(jìn)程進(jìn)行通信，從而控制Ansoft的行為操作。由于采用尺寸驅(qū)動法的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，所以開發(fā)過程中不用將整個電機(jī)仿真模型的建模過程及步驟錄制下來，而是完成混合式直線力電機(jī)初始設(shè)計(jì)后，只錄制7個電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)變動操作的程序代碼并加以封裝。

Ansoft通信模塊封裝了常用的Ansoft軟件操作，是整個軟件體系中唯一與Ansoft進(jìn)程進(jìn)行直接通信的模塊，也是最基礎(chǔ)的模塊。

2.3 圖形管理模塊

圖形管理模塊將磁場有限元模型切分成多個不同的特征圖形。圖3展示了封裝后的圖形及特征的層級關(guān)系，分別是簡單的基本圖形和矩形、以及具有復(fù)雜特征的特征圖形。其中，基本圖形只實(shí)現(xiàn)了平移變換，矩形在基本圖形的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了長寬的改變。特征圖形用于處理不規(guī)則圖形，具有拉伸特征、角度特征以及斜向拉伸特征。

圖3 圖形層級關(guān)系

以銜鐵部件為例，這是一個梯形的部件，涉及到以下三個電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)：

(1)氣隙軸向?qū)挾龋簹庀遁S向?qū)挾葏?shù)的改變，即對銜鐵部件的兩腰進(jìn)行水平拉伸或者收縮。如圖4所示，銜鐵部件上的拉伸特征將右側(cè)腰進(jìn)行水平拉伸了距離e，實(shí)際變動是將點(diǎn)p3與點(diǎn)p2的橫坐標(biāo)分別增加e，最終移動到點(diǎn)p′2與點(diǎn)p′3位置。

圖4 拉伸特征

(2)氣隙角度：氣隙角度參數(shù)的改變，即增加或者減少銜鐵部件的兩腰角度。如圖5所示，銜鐵部件上的角度特征將左側(cè)腰角度由α增加為α′，實(shí)際變動是點(diǎn)p1的橫坐標(biāo)發(fā)生變化，最終移動到p′1位置。

圖5 角度特征

(3)銜鐵厚度：銜鐵厚度參數(shù)的改變，即保持兩側(cè)腰的角度不變的情況下，垂直移動銜鐵部件的上底面。如圖6所示，銜鐵部件上的斜向拉伸特征將上底面上移了垂直距離h，實(shí)際變動是將點(diǎn)p3與點(diǎn)p0的縱坐標(biāo)分別增加h，同時橫坐標(biāo)根據(jù)兩側(cè)腰的角度也進(jìn)行了改變，最終移動到點(diǎn)p′0與點(diǎn)p′3位置。

圖6 斜向拉伸特征

圖形管理模塊將對特征圖形的變動轉(zhuǎn)化成坐標(biāo)點(diǎn)的改變，并且向下傳遞到Ansoft通信模塊，最終改變磁場有限元仿真模型。圖形管理模塊是連接參數(shù)管理模塊和Ansoft通信模塊的中間模塊，彌補(bǔ)了Ansoft對幾何圖形處理能力不足的缺點(diǎn)。

2.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)管理模塊

結(jié)構(gòu)參數(shù)管理模塊規(guī)定了電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化與特征圖形的關(guān)系，系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了線圈匝數(shù)、氣隙角度、磁鋼寬度、氣隙寬度、導(dǎo)磁環(huán)寬度、銜鐵厚度、磁鋼及導(dǎo)磁環(huán)厚度這些基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。基于Python面向?qū)ο蟮奶匦裕褂妙惗x每個電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，類名表示結(jié)構(gòu)參數(shù)的名稱，包含以下兩個方法：

(1)value方法：讀取結(jié)構(gòu)參數(shù)值，改變圖形管理模塊中的特征值。

(2)read_value方法：讀取圖形管理模塊中的特征值，返回計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)值。

以氣隙軸向?qū)挾冉Y(jié)構(gòu)參數(shù)為例，說明結(jié)構(gòu)參數(shù)模塊的工作原理。如圖7所示，EndCover_left表示左支撐架的名稱，EndCover_right表示右支撐架的名稱，Armature表示銜鐵的名稱。銜鐵在圖形管理模塊中注冊為特征圖形，左側(cè)腰添加了拉伸特征strength_left表示將點(diǎn)0和點(diǎn)1向左拉伸，右側(cè)腰添加了拉伸特征strength_right表示將點(diǎn)2和點(diǎn)3向右拉伸。

圖7 氣隙軸向?qū)挾茸兓唸D

在value方法中，Armature圖形的拉伸特征strength_left向右拉伸delta距離并且strength_right拉伸特征向左拉伸delta距離。如圖7所示，銜鐵分別向左右兩側(cè)拉伸了delta距離，即氣隙軸向?qū)挾葴p小了delta。在read_value方法中，計(jì)算EndCover_left圖形的點(diǎn)1橫坐標(biāo)與銜鐵圖形的點(diǎn)0橫坐標(biāo)的差值，即氣隙軸向?qū)挾葦?shù)值。

2.5 交互界面

本系統(tǒng)共包含仿真和采樣兩個選項(xiàng)卡。如圖8所示，仿真計(jì)算選項(xiàng)卡包含7個電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的輸入框、仿真計(jì)算結(jié)果欄以及電機(jī)結(jié)構(gòu)預(yù)覽顯示框。此外，該選項(xiàng)卡還包括預(yù)覽(改變電機(jī)結(jié)構(gòu)預(yù)覽顯示結(jié)果)、應(yīng)用(改變電機(jī)仿真模型文件)、計(jì)算驅(qū)動力以及計(jì)算線性度4個功能按鈕。

圖8 仿真計(jì)算界面

如圖9所示，采樣分析選項(xiàng)卡包含電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的下拉框、采樣個數(shù)輸入框以及采樣結(jié)果圖表。系統(tǒng)以下拉框選擇的結(jié)構(gòu)參數(shù)為自變量，在其取值范圍內(nèi)，均勻采樣用戶指定個數(shù)的樣本點(diǎn)。此外，該選項(xiàng)卡還包括開始采樣驅(qū)動力、開始采樣線性度、導(dǎo)出(以csv格式導(dǎo)出當(dāng)前采樣結(jié)果)3個功能按鈕。其中導(dǎo)出數(shù)據(jù)使用excel打開如圖10所示。

圖9 采樣分析界面

圖10 導(dǎo)出數(shù)據(jù)格式

3 應(yīng)用實(shí)例

本文應(yīng)用開發(fā)的混合式直線力電機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，對電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的工作，使用Ansoft建立混合式直線力電機(jī)磁場有限元仿真模型，利用其靜磁場求解器可以獲得電機(jī)驅(qū)動力和線性度。本文研究的混合式直線力電機(jī)行程在±0.5 mm，使用零位時施加極限電流(2 A)的電磁綜合力表征最大碎片剪切力；使用±0.1 mm,±0.2 mm,±0.3 mm,±0.4 mm處的電磁綜合力關(guān)于工作電流(-1 A～1 A)的線性度最大值表征整體的線性度。考慮直驅(qū)式電液伺服閥對混合式直線力電機(jī)的碎片剪切功能和控制特性的要求，需要在保證線性度K<0.05的情況下，改變電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，盡可能最大化電機(jī)驅(qū)動力。

為獲得更優(yōu)的電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，需要探究不同電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機(jī)驅(qū)動力及其線性度的影響。使用參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的采樣分析功能，分別采集氣隙軸向?qū)挾取曡F厚度、氣隙角度、磁鋼及導(dǎo)磁環(huán)厚度、磁鋼寬度、導(dǎo)磁環(huán)寬度以及線圈匝數(shù)這7個結(jié)構(gòu)參數(shù)在不同數(shù)值下的驅(qū)動力和線性度數(shù)據(jù)。采樣策略為均勻采樣，在其選取范圍之內(nèi)間隔均勻地取6個采樣點(diǎn)。采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)出后如圖11所示，每個結(jié)構(gòu)參數(shù)分別按照優(yōu)化規(guī)則(K<0.05且盡可能最大化驅(qū)動力)選取，即：線圈匝數(shù)為400，氣隙角度為90°，磁鋼寬度為15 mm，銜鐵厚度為14 mm，磁鋼及導(dǎo)磁環(huán)厚度為22.5 mm，氣隙軸向?qū)挾葹?.5 mm以及導(dǎo)磁環(huán)寬度為12.5 mm時，每個結(jié)構(gòu)參數(shù)都分別能取到其最優(yōu)值。

采用該參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)得到的電機(jī)優(yōu)化參數(shù)及驅(qū)動力和線性度結(jié)果如表1所示。表1中，序號1為初始電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)用磁場有限元仿真得到的計(jì)算結(jié)果，序號2是電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)單因素優(yōu)化后得到的參數(shù)組合對應(yīng)的有限元仿真結(jié)果。由表1可知，單因素優(yōu)化后的驅(qū)動力提升了45%。

圖11 電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)對電機(jī)驅(qū)動力及其線性度的影響分析

表1 優(yōu)化結(jié)果對比

4 結(jié) 語

本文基于Ansoft軟件平臺，運(yùn)用Python腳本語言開發(fā)了混合式直線力電機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)有限元模型的快速改變以及電機(jī)結(jié)構(gòu)的快速優(yōu)化。本文研究內(nèi)容及結(jié)論如下：

首先，對混合式直線力參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行分析，使用尺寸驅(qū)動法作為系統(tǒng)的編程準(zhǔn)則。

其次，對系統(tǒng)功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)及開發(fā)，包括Ansoft通信模塊、圖形管理模塊、結(jié)構(gòu)參數(shù)管理模塊、交互界面這4個模塊，完成自上而下的混合式直線力電機(jī)模型自動建模與快速計(jì)算。

結(jié)果表明，開發(fā)的參數(shù)化系統(tǒng)整體操作簡便，可以提高電機(jī)電磁設(shè)計(jì)工作的效率。與初始結(jié)構(gòu)電機(jī)的驅(qū)動力比較，混合式直線力電機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以將初始結(jié)構(gòu)參數(shù)的電機(jī)驅(qū)動力通過單因素優(yōu)化提升45%。

后續(xù)，擬通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立電機(jī)驅(qū)動力和線性度預(yù)測模型，采用如布谷鳥搜索等智能優(yōu)化算法，對電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行全局優(yōu)化，相信該電機(jī)驅(qū)動力還有進(jìn)一步的提升空間。