Application of topological gradient and continuum sensitivity analysis to the multi-objective design optimization of a permanent-magnet excited synchronous machine

• Autorzy: Putek P. , Slodička M. , Van Keer R. , Paplicki P. , Pałka R.

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie gradientu topologicznego oraz metody zmiennej sprzężonej do wielokryterialnej optymalizacji kształtu maszyny synchronicznej z magnesami trwałymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents an application of the topological derivative and continuum sensitivity analysis for the optimal design of the permanent magnet excited machines. The description of the method, applications and numerical results are presented in an example of the optimization of the permanent magnet machine with the adjustable excitation which can be used as a drive for electrical vehicles. The purpose of this study was the determination of the optimum geometry of motor poles, formed by the permanent magnets and iron elements. On the basis of numerical calculations in the 2D space the efficiency of the method was demonstrated, determing the optimal shape of the magnetic poles of the motor. In order to verify results, three-dimensional models were developed and analyzed in details. Based on the comparative analysis of 3D results it has been shown that a significant reduction of the cogging torque, magnets weight and a level of higher harmonics in the voltage induced in the armature windings are possible.

PL

W artykule przedstawiono zastosowanie metody gradientu topologicznego oraz zmiennej sprzężonej w zagadnieniu optymalizacji maszyn elektrycznych z magnesami trwałymi. Opis metody, jej funkcjonowanie oraz uzyskane wyniki symulacji numerycznych przedstawiono na przykładzie optymalizacji silnika z magnesami trwałymi o regulowanym wzbudzeniu, przewidzianego do napędu samochodów elektrycznych. Celem badań było wyznaczenie optymalnej geometrii biegunów silnika, utworzonych przez magnesy trwałe oraz elementy żelazne. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń numerycznych w przestrzeni 2D wykazano efektywność prezentowanej metody, przy pomocy której wyznaczono optymalny kształt biegunów magnetycznych silnika. W celu weryfikacji otrzymanych wyników obliczeniowych, opracowano adekwatne modele trójwymiarowe maszyny, które poddano szczegółowej analizie. Na podstawie analizy porównawczej wyników badań na modelach 3D, wykazano możliwość znacznego zmniejszenia momentu zaczepowego, masy magnesów trwałych oraz poziomu wyższych harmonicznych w napięciu indukowanym w uzwojeniach twornika.

Słowa kluczowe

EN

topology optimization of PM excited machine; minimization of cogging torque; topological gradient; sensitivity analysis

PL

optymalizacja struktury maszyny z magnesami trwałymi; minimalizacja momentu zaczepowego; gradient topologiczny; analiza wrażliwości

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2012
• Tom: R. 88, nr 7a
• Strony: 256--260
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., schem., tab., wykr

Twórcy

autor

Putek P.

autor

Slodička M.

autor

Van Keer R.

autor

Paplicki P.

autor

Pałka R.

• Department of Mathematical Analysis, Faculty of Engineering and Architecture, Ghent University, Galglaan 2, 9000 Gent, Belgium,

Bibliografia

• [1] Gieras J., Wing M., Permanent magnet motor technology, John Wiley & Sons, Ltd. (2008)
• [2] Hughes A., Electric Motors and Drives, Elsevier Ltd. (2006)
• [3] Husain I., Electric and hybrid vehicles. Design Fundamentals, CRC Press (2005)
• [4] Tapia J., Leonardi F., Lipo T., Consequent-Pole Permanent-Magnet Machine with Extended Field-Weakening Capability, IEEE Transactions on Industry Applications, 39 (2003), 1704-1709
• [5] Kabushiki Kaisha Meidensha, Hybrid Excitation Type Permanent Magnet Synchronous Motor, United States Patent, Patent Number: 5,682,073, Date of Patent: Oct. 28, 1997, Inventor: Takayuki Mizuno, Tokyo, Japan
• [6] May H., Palka R., Paplicki P., Szkolny S., and Canders W.-R. Modified concept of permanent magnet excited synchronous machines with improved high-speed features, Archives of Electrical Engineering, 4 (2011), 531-540
• [7] Chen N., HoS., and Fu W., Optimization of Permanent Magnet Surface Shapes of Electric Motors for Minimization of Cogging Torque using FEM, IEEE Transactions on Magnetics, 46(2010), 2478-2481
• [8] Di Barba P., Multiobjective Shape Design in Electricity and Magnetism, Springer (2010)
• [9] Schumacher A., Kobolev V., Eschenauer H., Bubble method for topology and shape optimization of structures, J. Struct. Optimi. 8(1996) 42-51
• [10] Cea J., Garreau S., Guillaume P., and Masmoudi M., The shape and topological optimizations connection, ELSEVIER Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 118 (2000), 713-726
• [11] Sokołowski J., Żochowski A., Topological derivatives for elliptic problems, Inverse Problems, 15 (1999), 123-124
• [12] Garreau S., Guillaume P., Masmoudi M., The topological sensitivity for linear isotropic elasticity, European Conf. on Computational Mechanics (ECCM99), Raport MIP 99.45 (1999)
• [13] Masmoudi M., Pommier P., and Samet B., The topological asymptotic expansion for the Maxwell equations and some applications, Inverse Problem 21(2005), 547- 564
• [14] Sokołowski J., Zalesio J., Introduction to shape optimization: shape sensitivity analysis, Springer, (1992)
• [15] Haug E., Choi K., Komkov V., Design Sensitivity Analysis of Structural Systems, Academic Press (1986)
• [16] Kim D., Ship K., and Sykulski J., Applying Continuum Design Sensitivity Analysis combined with standard EM software to shape optimization in magnetostatic problems, IEEE Transactions and Magnetics, 40 (2004), 1156-1159
• [17] Kim D., Sykulski J., and Lowther D., The implications of the use of composite materials in electromagnetic device topology and shape optimization, IEEE Transaction on Magnetics, 45(2009), 1154-1156