5.1 JMAG的功能与特点

JMAG软件是日本JSOL公司开发的针对各种机电产品内的电磁场、热场、电场、结构场、多物理场等进行分析，从而考虑产品内部的电磁场分布、损耗分布、温升分布、结构变形、振动噪声等。目前，软件版本V14，其包含的基础功能模块有前/后处理（PRE/POST）、2D/3D静态电磁场分析（ST）、2D瞬态电磁场分析（DP）、2D/3D频域电磁场分析模块（FQ）、3D瞬态电磁场分析模块（TR）、铁耗计算工具（LS）、3D温度场分析（HT）、结构分析模块（DS）、静电场分析模块（EL）等，还包含实时仿真模块（RT）、母线电感计算工具（PI）、并行计算模块（PA2）、与SPEED软件接口模块（SPEED LINK）、变压器快速设计分析模块（TS）、电动机效率图计算工具（EFFICIENCY MAP）、电动机快速设计工具（JMAG EX-PRESS）等。

JMAG软件操作方便，能够实现电动机及其控制系统从初始设计到二维和三维有限元仿真、驱动和控制电路、控制算法的一体化仿真设计流程。二维和三维电磁场有限元分析模块具备强大方便的后处理功能，能获取任意点、线、面、体上的场量分布和数据，并可以用矢量图、云图、等位线、曲线图、EXCEL或TXT文本等方式输出数据。瞬态场分析还能输出各种瞬态响应曲线，并可动画显示矢量、幅值、等位线等场量分布随时间或运动状态变化的情况。

如图5-1所示，JMAG的操作界面把前/后处理与运算界面结合在一起，用户操作非常方便。JMAG DESIGNER软件内部自带的电动机快速设计功能模块（JMAG EXPRESS）可以辅助工程人员设计电动机的初步方案。只需要输入简单的电动机性能的基本需求，如额定功率、电动机外径、输入电压、最大电流、最大转矩及转速范围等，EXPRESS会自动给出较合理的电磁方案、电动机的基本性能曲线及部分参数，如转矩-转速曲线、转速-电流曲线、效率曲线、dq轴电感参数、转矩系数等。

图5-1 JMAG DESIGNER软件界面

1.简单高效的网格剖分

网格质量的好坏直接影响到最后结果的准确性，JMAG提供了多种网格生成方式：手动剖分、自动剖分、自适应剖分、集肤效应剖分、叠片剖分和薄板剖分等，同时提供强大的三维自动拉伸剖分，还可以导入已经剖分好的外部网格文件等。

2.灵活、多样的材料库

JMAG包含七种类型的材料：空气（默认）、绕组、非磁性材料（例如鼠笼条，可以通过设置电阻率或者电导率考虑涡流效应）、各向同性电工钢材料（实心电磁钢，例如轴）、永磁体（可以考虑不同温度下的退磁影响）、各向同性电工钢叠片（可以设置叠层、叠装方向以及叠片系数）、各向异性电工钢叠片（例如变压器铁心）。

对于材料库中没有提供的材料，如铁粉材料、磁滞材料以及非常规型号等，用户可自行输入曲线数据，JMAG均能据此进行仿真。

3.强大的耦合计算功能

电动机是一个包含电磁、机械、热、噪声等的多物理场。最大限度模拟电动机实际物理变化过程是现代电动机分析的发展趋势。

JMAG提供了强大的耦合计算功能，JMAG本身包含温度场计算模块（稳态温度分布与瞬态运行时的温度分布和温升）和结构场计算模块（离心力分析、模态分析、振动分析、噪声分析等）。此外也可以与其他专业软件实施联合仿真，例如磁场分析/热分析、磁场分析/结构分析（如图5-2所示的JMAG与Abaqus耦合计算）、磁场分析/噪声分析、磁场分析/控制分析等，为电动机仿真构建了一个完善的系统仿真平台。

图5-2 JMAG与Abaqus耦合计算

4.与绘图软件的接口

JMAG提供多种格式的模型导入功能。常用格式有DXF、GDF、SAT、IGES、NAS_- TRAN、CATIA等。特别是对于SOLIDWORKS，JMAG可以与其并行操作。

5.与电动机设计软件的接口

（1）JMAG自带的电动机设计模板JMAG-EXPRESS

为了方便电动机的设计，JMAG提供了很多电动机设计模板。有永磁无刷电动机、直流电动机、感应电动机、磁阻电动机等。只需输入电动机基本尺寸和定义材料参数，便可自动建立JMAG有限元模型。

（2）与SPEED软件的连接

SPEED软件是英国格拉斯哥大学（University of GLASGOW）开发的基于磁路法的电动机设计软件。软件拥有多种电动机模板，可以快捷调节各种参数，计算时间迅速。但基于磁路法原理，其计算精度较为粗略。SPEED开发的永磁电动机模型可以直接导入到JMAG软件进行进一步的有限元仿真分析。

6.与驱动电路软件的接口

JMAG自带的电路设置窗口含有绝大部分的电路元器件，如电阻、电感、电容、电源、绕组、整流-逆变器、电刷等，能够满足一般的驱动电路连接。JMAG提供与专业电路仿真软件PSIM、SIMULINK、PSPICE的接口，进行实时仿真。

7.RT模块

JMAG-RT是JMAG有限元分析工具套件中的一部分。有限元与控制电路软件进行实时仿真，可以更准确地描述电动机的非线性特性，但是由于每一步都交换数据，仿真过程非常耗时。基于表格计算的原理使得JMAG-RT在保证准确度的前提下大大缩短仿真时间。

进行高级电动机驱动仿真时，工程师面临最大的挑战之一就是如何同时保证模型的仿真准确度和仿真步长时间。虽然基于常量参数的简单dq模型足以进行部分硬件在环（HardwareIn The Loop，HIL）测试，但高仿真准确度的模型在高级电动机驱动设计中很多时候是必需的，特别是在汽车和能源行业中非常常见。高准确度的有限元分析模型可用来对复杂、非理想行为进行仿真（如齿轮扭矩），通过改善控制器的设计来减少转矩脉动；可以对大电流时的电动机电感变化进行仿真，大电流对电动机转矩的影响很大；还能用来测试控制器的性能优劣。

8.拥有多个专题分析工具

主要的专题分析工具有铁损耗计算工具、电感计算工具等。

损耗是影响电动机效率的主要因素，其中除了导线中的电流发热损耗外，铁磁材料中的铁损耗占主要部分。因此，准确计算铁损耗具有非常重要的意义。JMAG根据磁场计算后的电动机磁通密度分布，提供多种方法计算铁损耗，包括分别计算磁滞损耗与涡流损耗。

电感计算主要包括以下三个内容：

（1）永磁电动机电感（PM INDUCTANCE）

基于有限元磁场交、直轴电感计算，由于考虑了材料的饱和特性及齿槽效应，计算结果具有较高的准确度。

（2）绕组电感（COIL INDUCTANCE）

根据磁链计算结果，JMAG可以计算绕组的自电感与互电感。需要指出的是由于绕组端部存在漏磁通，因此如果电动机轴向厚度较短或者电流较大磁通密度饱和时，二维模型的计算误差会增大。

（3）导条电感（BUSBAR INDUCTANCE）

根据磁链计算结果，JMAG可以计算导体的电感，包括自电感与互电感，并且考虑导体的趋肤效应。

电感计算工具如图5-3所示。

图5-3 电感计算工具

a）IPM电动机结构图 b）交、直轴电感计算结果

9.参数化工具（PARAMETRIC）

JMAG的参数化分析（PARAMETRIC ANALYSIS）工具能够在特定的对话框中，通过定义几何形状或者条件参数，自动进行一系列近似计算，不需要重新设置材料和条件。通过结果的比较就可以发现方案的优劣。这一点对设计者来说尤为重要。

10.脚本编程（SCRIPT）

使用JMAG的SCRIPT编程功能可以进一步提高软件操作的简易性与灵活性，并且可以满足某些特殊的要求，例如磁滞材料（多值磁滞特性）的模拟，特殊磁化方向（非同心圆充磁）的模拟。

1）调用预先编写好的SCRIPT程序，或者从以往操作历史中调用，能极大地提高工作效率。

2）定义变量，使用循环、条件、转移等功能语句。语法格式与BASIC类似。

3）利用SCRIPT可以依次进行前处理、过程操作、后处理的计算。

4）可以与参数化分析、自动分析、第三方软件进行嵌入式运算。

5）二次开发灵活。使用JMAG的SCRIPT编程功能可以进一步提高软件操作的简易性与灵活性，并且可以实现某些特殊的要求，例如磁滞材料（多值磁滞特性）的模拟，特殊磁化方向（非同心圆充磁）的模拟。