鄒子羽，盧琴芬

(浙江大學 電氣工程學院，杭州 310027)

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，電梯的提升重量和高度不斷提升，傳統(tǒng)的曳引式電梯存在曳引繩，從而受到了重量、高度和強度等方面的限制。無繩電梯則可以適應(yīng)更高的垂直運輸高度和更大的轎廂容量需求。在高載重量運行時，無繩電梯系統(tǒng)需要高推力密度的低速直線電機[1]，而游標型永磁直線同步電機(VPMLSM)正具有低速、高推力密度的特點，可以推測能夠很好地契合大容量無繩電梯系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

電機設(shè)計可采用等效電路方法與有限元方法，VPMLSM磁路復(fù)雜，在加載后磁路易飽和，通常采用后者。在設(shè)計過程中，基于有限元軟件進行模型繪制、材料設(shè)置、激勵條件施加、網(wǎng)格剖分、性能計算。如果進行方案調(diào)整或設(shè)計優(yōu)化，則需要多次重復(fù)前面的過程，存在很多重復(fù)性和機械性的工作，降低了電機設(shè)計的速度和效率，因此需要基于有限元軟件建立二次開發(fā)設(shè)計平臺。在現(xiàn)有研究中，已經(jīng)有較多文獻利用VB/VBA語言對有限元軟件例如Maxwell進行二次開發(fā)，實現(xiàn)模型設(shè)計時的參數(shù)化和自動化[2-3]。但基于Python對有限元仿真軟件進行二次開發(fā)的研究很少。為了提升設(shè)計效率，縮短迭代周期，本論文將采用Python腳本對JMAG進行二次開發(fā)，實現(xiàn)圖形界面編程(GUI)、參數(shù)化建模和后處理，GUI作為人機交互界面進行參數(shù)設(shè)置和模型實時預(yù)覽，參數(shù)化建模則是建立有限元腳本文件，后處理則對有限元仿真結(jié)果進行導出運算和可視化處理。最后將Python腳本封裝成可執(zhí)行程序，建立具有一定獨立性的用于電機設(shè)計完整流程的可移植軟件平臺。

1 系統(tǒng)開發(fā)原理

1.1 系統(tǒng)開發(fā)對象

JMAG軟件是由日本JSOL公司開發(fā)的功能齊全、應(yīng)用廣泛的電磁場分析軟件。軟件可以對各種電機及電磁設(shè)備進行精確的電磁場分析，并且提供其與許多系統(tǒng)的鏈接能力，可以通過COM接口運行多種腳本語言[4]，包括VBSCript、Jscript和Python。其中Python是一種面向?qū)ο蟛⒕哂袆討B(tài)語義特征的計算機編程語言[5]，由于其具有易閱讀易上手的特點而被廣泛地應(yīng)用于多數(shù)平臺的腳本和開發(fā)應(yīng)用中，且Python具有優(yōu)秀的可擴展性和豐富的庫，可以更加充分靈活地進行二次開發(fā)。故在本系統(tǒng)中采用Python作為JMAG對應(yīng)的腳本語言。

1.2 系統(tǒng)接口技術(shù)及整體框架

在二次開發(fā)的過程中，如何將開發(fā)的腳本語言和平臺進行連接至關(guān)重要。在現(xiàn)有二次開發(fā)的接口研究中，文獻[6]通過ActiveX Automation連接技術(shù)對VB應(yīng)用程序與AutoCAD建立連接，令客戶端程序操縱AutoCAD實現(xiàn)自動化繪圖，文獻[7]實現(xiàn)了VB與Matlab混合編程設(shè)計電機，其中涉及到Matlab的Com Builder技術(shù)、MatrixVB等技術(shù)，考慮到軟件開發(fā)難度和應(yīng)用范圍，最后采用了M文件技術(shù)，把Matlab中的m文件生成exe文件供VB調(diào)用。文獻[8]通過Ansys的參數(shù)化程序設(shè)計語言(APDL)編寫腳本，再由VB對腳本文件的讀取和寫入來實現(xiàn)VB和Ansys軟件間的數(shù)據(jù)傳遞。

對于Python而言，可以采用COM接口，調(diào)用ActiveX控件實現(xiàn)與JMAG軟件的連接，也可以直接利用JMAG內(nèi)置的COM接口調(diào)用Python腳本文件。但直接調(diào)用ActiveX控件對開發(fā)者計算機基礎(chǔ)的要求較高，而使用JMAG內(nèi)部接口需要在JMAG環(huán)境中運行，無法在未啟動JMAG的情況下進行編輯或前后處理，其獨立性和靈活性有所欠缺。所以在本系統(tǒng)中采用兩種接口技術(shù)，即內(nèi)部連接和外部連接兩層調(diào)用邏輯。內(nèi)部連接中，使用JMAG內(nèi)部COM接口運行相關(guān)Python腳本文件；外部連接中，在Python環(huán)境下創(chuàng)建子進程啟動JMAG軟件，并且令JMAG在內(nèi)部環(huán)境中執(zhí)行指定的Python腳本文件。

系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。Python頂層代碼通過外部連接方式啟動JMAG軟件，同時根據(jù)用戶指令生成以Python腳本文件形式存在的JMAG命令流，JMAG通過內(nèi)部連接的方式執(zhí)行腳本文件，自動完成電機模型繪制、材料添加、有限元計算等步驟。JMAG軟件調(diào)用結(jié)束后，Python頂層代碼進行后處理等過程。這種系統(tǒng)框架一定程度上實現(xiàn)了Python和JMAG的雙向連接，且由于其整體運行在Python環(huán)境中，極大地提升了Python代碼的獨立性和自由度。

圖1 系統(tǒng)框架

2 二次開發(fā)設(shè)計軟件

2.1 軟件設(shè)計流程圖

軟件流程圖如圖2所示。整個軟件在Python大環(huán)境下運行。用戶通過GUI界面實現(xiàn)與系統(tǒng)的人機交互，設(shè)置相關(guān)參數(shù)并且進行圖形預(yù)覽。置入結(jié)束后GUI將相關(guān)參數(shù)傳遞到腳本生成器中，生成器基于源代碼將傳遞參數(shù)包含的信息自動轉(zhuǎn)換為JMAG可識別、可執(zhí)行的腳本文件。然后通過調(diào)用子進程啟動JMAG軟件，令其讀取自動生成的Python腳本文件，在JMAG環(huán)境下根據(jù)給定參數(shù)自動完成模型繪制、材料添加、電路設(shè)置、仿真參數(shù)編輯等有限元仿真工作，且可以根據(jù)用戶設(shè)置添加矢量控制、單結(jié)構(gòu)參數(shù)掃描等仿真流程。仿真結(jié)束后對數(shù)據(jù)進行導出，并且進行相應(yīng)的計算和可視化處理，完成整個二次開發(fā)參數(shù)化建模的流程。

圖2 軟件流程圖

在上述流程圖中，腳本生成器編寫的代碼源自文檔查閱或JMAG內(nèi)置的腳本錄制功能，在軟件開發(fā)的過程中，將JMAG執(zhí)行的腳本文件中重復(fù)性較多的代碼打包成函數(shù)，從而精簡主函數(shù)的代碼，并且增加代碼的可讀性。

當軟件在不同用戶的電腦上運行時，JMAG軟件安裝的路徑可能會不同，所以軟件除了初始狀態(tài)下調(diào)用JMAG的路徑，還可以編輯調(diào)用路徑，從而確保軟件的可移植性。

2.2 軟件功能

整個軟件的界面設(shè)計如圖3所示。軟件的所有參數(shù)置入、功能設(shè)置和結(jié)果顯示等功能都集成到一個窗口當中。主窗口下分為三個次窗口，其分別是模型庫、模型編輯和用戶設(shè)置。模型編輯是軟件設(shè)計的主體部分，在該次窗口下可以完成對模型進行命名、結(jié)構(gòu)繪制、參數(shù)設(shè)置和有限元仿真結(jié)果查看等操作。模型庫讀取并展示現(xiàn)有模型，用戶設(shè)置對相關(guān)路徑進行編輯。

在模型編輯窗口中，電機的綜合設(shè)計是軟件的核心功能。綜合設(shè)計的中心思想是參數(shù)化，即將電機的模型繪制和激勵條件添加都以參數(shù)的方式呈現(xiàn)，例如當對模型結(jié)構(gòu)進行參數(shù)化繪制時，其界面如圖4所示。在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中還內(nèi)置了結(jié)構(gòu)預(yù)覽功能，該功能可以根據(jù)置入的參數(shù)實時呈現(xiàn)電機的局部結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)，使設(shè)計過程更加直觀。

圖3 軟件界面

(1)校核計算

校核計算是指計算VPMLSM在給定運行條件下的性能。首先輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)與激勵參數(shù)，設(shè)置完成之后，點擊“開始運行”調(diào)用JMAG軟件讀取自動生成的Python腳本，依照腳本中的指令完成有限元仿真整體流程。然后代碼會自動完成有限元仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的提取、導出和計算處理，其中包括對電壓電流進行FFT頻譜分析，以計算出功率因數(shù)和THD等[9]，最后將推力性能參數(shù)和電路性能參數(shù)和對應(yīng)的推力、電壓電流曲線圖呈現(xiàn)在運行結(jié)果中。

(2)矢量控制

矢量控制是指計算出Id=0矢量控制策略時的電機性能。首先電機保持靜止，將電流源初始相位設(shè)置為0，通過有限元仿真得到推力的波形曲線，找到初始點與推力最大點之間的相位差，然后利用相位差對電流源初始相位進行校正，此時就可實現(xiàn)Id=0的矢量控制方式。

(3)單參數(shù)掃描

在電機初步尺寸確定后，需要對電機結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，單結(jié)構(gòu)參數(shù)掃描是一種較常用的方式。軟件中設(shè)置了參數(shù)掃描選擇框，當選擇下拉菜單中的其中一個結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后逐行輸入?yún)?shù)序列，就可以實現(xiàn)單結(jié)構(gòu)參數(shù)掃描的功能。

2.3 數(shù)據(jù)庫管理

設(shè)計平臺在有限元仿真過程中將產(chǎn)生大量的模型與運算數(shù)據(jù)，需要對它們進行保存和歸檔。在軟件中設(shè)置了數(shù)據(jù)庫，將已經(jīng)完成仿真的電機結(jié)果進行歸一化、統(tǒng)一化處理后導出Excel文件。該結(jié)果文件也能作為輸入文件被軟件重新讀取。結(jié)果文件存放路徑可以在軟件中進行設(shè)置。

3 程序應(yīng)用

基于上述設(shè)計軟件，就可以完成VPMLSM的方案設(shè)計。VPMLSM運用“磁齒輪效應(yīng)”，即低速運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子能產(chǎn)生高速變化的空間磁場，在此過程中電樞磁場中含量最大諧波成分與永磁體磁場極數(shù)相同且相互作用，從而產(chǎn)生輸出轉(zhuǎn)矩[10-12]。

VPMLSM的設(shè)計要求：平均推力為13.25 kN、推力波動小于5%，其初始方案的結(jié)構(gòu)參數(shù)通過輸入窗口設(shè)置，如圖4所示。初級繞組極對數(shù)/永磁體極對數(shù)/初級槽數(shù)為6/30/36，減速比為5，永磁體采用Halbach陣列。設(shè)置激勵電流，選擇矢量控制，就可以計算得到該VPMLSM的性能，其對應(yīng)的仿真性能結(jié)果曲線圖如圖5所示。在初步設(shè)計的電機模型中，平均推力大小為13.4 kN，符合設(shè)計要求，而推力波動為7.85%，不滿足設(shè)計要求。

圖4 參數(shù)輸入窗口

圖5 運行結(jié)果窗口

在初始方案的基礎(chǔ)上，選擇參數(shù)掃描功能，對電機結(jié)構(gòu)參數(shù)逐個進行掃描計算，如圖6所示。參數(shù)掃描后，以推力大小和推力波動為優(yōu)化目標，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合。圖7展示了影響較大的三個結(jié)構(gòu)參數(shù)掃描計算結(jié)果，左列為平均推力，右列為推力波動。

圖6 參數(shù)掃描置入

圖7 單結(jié)構(gòu)參數(shù)掃描計算的平均推力與推力波動

通過參數(shù)掃描后，就可以獲得最后的設(shè)計方案，如表1所示，其性能與初始方案的對比如表2所示。

表1 VPMLSM設(shè)計參數(shù)結(jié)果

表2 VPMLSM優(yōu)化前后的性能對比

4 結(jié) 論

本文采用Python語言編寫了基于JMAG二次開發(fā)的設(shè)計程序，將Python和JMAG軟件進行有效連接，增加二次開發(fā)的靈活性和可拓展性。通過腳本實現(xiàn)了電機建模和有限元仿真的參數(shù)化和自動化，縮短整個電機設(shè)計的周期。

基于該二次開發(fā)設(shè)計平臺，對VPMLSM進行了性能計算與優(yōu)化設(shè)計，獲得了滿足設(shè)計要求的設(shè)計方案，驗證了二次開發(fā)平臺的可行性和靈活性，提升了設(shè)計效率。在后續(xù)的應(yīng)用開發(fā)過程中，將應(yīng)用多目標多參數(shù)優(yōu)化算法，獲得最優(yōu)方案。