5.1 JMAG的功能與特點

JMAG軟件是日本JSOL公司開發的針對各種機電產品內的電磁場、熱場、電場、結構場、多物理場等進行分析，從而考慮產品內部的電磁場分布、損耗分布、溫升分布、結構變形、振動噪聲等。目前，軟件版本V14，其包含的基礎功能模塊有前/后處理（PRE/POST）、2D/3D靜態電磁場分析（ST）、2D瞬態電磁場分析（DP）、2D/3D頻域電磁場分析模塊（FQ）、3D瞬態電磁場分析模塊（TR）、鐵耗計算工具（LS）、3D溫度場分析（HT）、結構分析模塊（DS）、靜電場分析模塊（EL）等，還包含實時仿真模塊（RT）、母線電感計算工具（PI）、并行計算模塊（PA2）、與SPEED軟件接口模塊（SPEED LINK）、變壓器快速設計分析模塊（TS）、電動機效率圖計算工具（EFFICIENCY MAP）、電動機快速設計工具（JMAG EX-PRESS）等。

JMAG軟件操作方便，能夠實現電動機及其控制系統從初始設計到二維和三維有限元仿真、驅動和控制電路、控制算法的一體化仿真設計流程。二維和三維電磁場有限元分析模塊具備強大方便的后處理功能，能獲取任意點、線、面、體上的場量分布和數據，并可以用矢量圖、云圖、等位線、曲線圖、EXCEL或TXT文本等方式輸出數據。瞬態場分析還能輸出各種瞬態響應曲線，并可動畫顯示矢量、幅值、等位線等場量分布隨時間或運動狀態變化的情況。

如圖5-1所示，JMAG的操作界面把前/后處理與運算界面結合在一起，用戶操作非常方便。JMAG DESIGNER軟件內部自帶的電動機快速設計功能模塊（JMAG EXPRESS）可以輔助工程人員設計電動機的初步方案。只需要輸入簡單的電動機性能的基本需求，如額定功率、電動機外徑、輸入電壓、最大電流、最大轉矩及轉速范圍等，EXPRESS會自動給出較合理的電磁方案、電動機的基本性能曲線及部分參數，如轉矩-轉速曲線、轉速-電流曲線、效率曲線、dq軸電感參數、轉矩系數等。

圖5-1 JMAG DESIGNER軟件界面

1.簡單高效的網格剖分

網格質量的好壞直接影響到最后結果的準確性，JMAG提供了多種網格生成方式：手動剖分、自動剖分、自適應剖分、集膚效應剖分、疊片剖分和薄板剖分等，同時提供強大的三維自動拉伸剖分，還可以導入已經剖分好的外部網格文件等。

2.靈活、多樣的材料庫

JMAG包含七種類型的材料：空氣（默認）、繞組、非磁性材料（例如鼠籠條，可以通過設置電阻率或者電導率考慮渦流效應）、各向同性電工鋼材料（實心電磁鋼，例如軸）、永磁體（可以考慮不同溫度下的退磁影響）、各向同性電工鋼疊片（可以設置疊層、疊裝方向以及疊片系數）、各向異性電工鋼疊片（例如變壓器鐵心）。

對于材料庫中沒有提供的材料，如鐵粉材料、磁滯材料以及非常規型號等，用戶可自行輸入曲線數據，JMAG均能據此進行仿真。

3.強大的耦合計算功能

電動機是一個包含電磁、機械、熱、噪聲等的多物理場。最大限度模擬電動機實際物理變化過程是現代電動機分析的發展趨勢。

JMAG提供了強大的耦合計算功能，JMAG本身包含溫度場計算模塊（穩態溫度分布與瞬態運行時的溫度分布和溫升）和結構場計算模塊（離心力分析、模態分析、振動分析、噪聲分析等）。此外也可以與其他專業軟件實施聯合仿真，例如磁場分析/熱分析、磁場分析/結構分析（如圖5-2所示的JMAG與Abaqus耦合計算）、磁場分析/噪聲分析、磁場分析/控制分析等，為電動機仿真構建了一個完善的系統仿真平臺。

圖5-2 JMAG與Abaqus耦合計算

4.與繪圖軟件的接口

JMAG提供多種格式的模型導入功能。常用格式有DXF、GDF、SAT、IGES、NAS_- TRAN、CATIA等。特別是對于SOLIDWORKS，JMAG可以與其并行操作。

5.與電動機設計軟件的接口

（1）JMAG自帶的電動機設計模板JMAG-EXPRESS

為了方便電動機的設計，JMAG提供了很多電動機設計模板。有永磁無刷電動機、直流電動機、感應電動機、磁阻電動機等。只需輸入電動機基本尺寸和定義材料參數，便可自動建立JMAG有限元模型。

（2）與SPEED軟件的連接

SPEED軟件是英國格拉斯哥大學（University of GLASGOW）開發的基于磁路法的電動機設計軟件。軟件擁有多種電動機模板，可以快捷調節各種參數，計算時間迅速。但基于磁路法原理，其計算精度較為粗略。SPEED開發的永磁電動機模型可以直接導入到JMAG軟件進行進一步的有限元仿真分析。

6.與驅動電路軟件的接口

JMAG自帶的電路設置窗口含有絕大部分的電路元器件，如電阻、電感、電容、電源、繞組、整流-逆變器、電刷等，能夠滿足一般的驅動電路連接。JMAG提供與專業電路仿真軟件PSIM、SIMULINK、PSPICE的接口，進行實時仿真。

7.RT模塊

JMAG-RT是JMAG有限元分析工具套件中的一部分。有限元與控制電路軟件進行實時仿真，可以更準確地描述電動機的非線性特性，但是由于每一步都交換數據，仿真過程非常耗時。基于表格計算的原理使得JMAG-RT在保證準確度的前提下大大縮短仿真時間。

進行高級電動機驅動仿真時，工程師面臨最大的挑戰之一就是如何同時保證模型的仿真準確度和仿真步長時間。雖然基于常量參數的簡單dq模型足以進行部分硬件在環（HardwareIn The Loop，HIL）測試，但高仿真準確度的模型在高級電動機驅動設計中很多時候是必需的，特別是在汽車和能源行業中非常常見。高準確度的有限元分析模型可用來對復雜、非理想行為進行仿真（如齒輪扭矩），通過改善控制器的設計來減少轉矩脈動；可以對大電流時的電動機電感變化進行仿真，大電流對電動機轉矩的影響很大；還能用來測試控制器的性能優劣。

8.擁有多個專題分析工具

主要的專題分析工具有鐵損耗計算工具、電感計算工具等。

損耗是影響電動機效率的主要因素，其中除了導線中的電流發熱損耗外，鐵磁材料中的鐵損耗占主要部分。因此，準確計算鐵損耗具有非常重要的意義。JMAG根據磁場計算后的電動機磁通密度分布，提供多種方法計算鐵損耗，包括分別計算磁滯損耗與渦流損耗。

電感計算主要包括以下三個內容：

（1）永磁電動機電感（PM INDUCTANCE）

基于有限元磁場交、直軸電感計算，由于考慮了材料的飽和特性及齒槽效應，計算結果具有較高的準確度。

（2）繞組電感（COIL INDUCTANCE）

根據磁鏈計算結果，JMAG可以計算繞組的自電感與互電感。需要指出的是由于繞組端部存在漏磁通，因此如果電動機軸向厚度較短或者電流較大磁通密度飽和時，二維模型的計算誤差會增大。

（3）導條電感（BUSBAR INDUCTANCE）

根據磁鏈計算結果，JMAG可以計算導體的電感，包括自電感與互電感，并且考慮導體的趨膚效應。

電感計算工具如圖5-3所示。

圖5-3 電感計算工具

a）IPM電動機結構圖 b）交、直軸電感計算結果

9.參數化工具（PARAMETRIC）

JMAG的參數化分析（PARAMETRIC ANALYSIS）工具能夠在特定的對話框中，通過定義幾何形狀或者條件參數，自動進行一系列近似計算，不需要重新設置材料和條件。通過結果的比較就可以發現方案的優劣。這一點對設計者來說尤為重要。

10.腳本編程（SCRIPT）

使用JMAG的SCRIPT編程功能可以進一步提高軟件操作的簡易性與靈活性，并且可以滿足某些特殊的要求，例如磁滯材料（多值磁滯特性）的模擬，特殊磁化方向（非同心圓充磁）的模擬。

1）調用預先編寫好的SCRIPT程序，或者從以往操作歷史中調用，能極大地提高工作效率。

2）定義變量，使用循環、條件、轉移等功能語句。語法格式與BASIC類似。

3）利用SCRIPT可以依次進行前處理、過程操作、后處理的計算。

4）可以與參數化分析、自動分析、第三方軟件進行嵌入式運算。

5）二次開發靈活。使用JMAG的SCRIPT編程功能可以進一步提高軟件操作的簡易性與靈活性，并且可以實現某些特殊的要求，例如磁滯材料（多值磁滯特性）的模擬，特殊磁化方向（非同心圓充磁）的模擬。