W pracy przedstawiono wady i zalety napędu bezpośredniego pojazdu elektrycznego, metodę projektowania silników, parametry różnych typów silników wykonanych i zastosowanych w pojazdach opracowanych w Instytucie Elektrotechniki w Warszawie.
EN
Strengths and weaknesses of electrical vehicle direct drive, the method of motors design, parameters of different motor types made and applied in vehicles elaborated in Electrotechnical Institute in Warsaw are presented in the paper.
W pracy przedstawiono główne cechy silników magnetoelektrycznych o strumieniu osiowym i tworniku bez rdzenia ferromagnetycznego, zarys metody ich projektowania oraz wybrane wyniki obliczeń projektowych. Ponadto przedstawiono opis zastosowanej technologii wykonania silnika modelowego. Silnik prototypowy o odwróconej strukturze, tj. z zewnętrznym wirnikiem w postaci dwóch tarcz z magnesami trwałymi został zaprojektowany tak, aby mieścił się wewnątrz standardowej obręczy koła pojazdu o średnicy 15 cali. Twornik z trójfazowym uzwojeniem jednowarstwowym został zalany żywicą epoksydową w formie silikonowej.
EN
In the paper the main features of the magneto-electric disc motors with axial flux and armature without ferromagnetic core and outline its design method and selected design calculations results are presented. Moreover is presented description of workmanship technology of the prototype motor. The prototype motor with inverted structure i.e. with outer rotor made up two shields with permanent magnets was designed in that way to fit in a standard rim 15" diameter. It was poured the armature with three-phase winding over epoxy resin in a silicon mould.
Artykuł opisuje konstrukcję, wykonane obliczenia oraz pomiary indukcji magnetycznej w bezrdzeniowym silniku tarczowym z magnesami trwałymi. Pomiary wykonano w stanie bezprądowym w dwu przypadkach: 1) przy rozmontowanym wirniku, t.j. na powierzchni magnesów przytwierdzonych do pojedynczej tarczy jarzmowej i 2) ze zmontowanym wirnikiem - pomiary w środku szczeliny powietrznej pomiędzy tarczami jarzmowymi z zamocowanymi magnesami. Wykonano obliczenia polowe 3D przedmiotowego silnika dla obu powyższych wariantów: z pojedynczą tarczą wirnika oraz ze zmontowanymi dwoma tarczami wirnika. Przeanalizowano i porównano wyniki pomiarów oraz obliczeń polowych silnika i stwierdzono znaczną zgodność uzyskanych wyników.
EN
A coreless disc motor with permanent magnets, made in IEL was investigated with respect to the distribution and leakage of its magnetic field. Computations of the 3D field were made for verification. Neodymium magnets with remanence induction of Br = 1,3093 T were used to build the motor. The measurements were made using an FM 210 teslometer with a Hall probe, calibrated with an 1 T etalon. The investigations were performed using an open magnetic circuit (both discs mounted without armature). In the first case the measurements were made at the surface of magnets according to the net shown in Figure 3. The results are presented in Table 1 and Figure 4. Measurements with closed magnetic circuit were made at half width of the air gap at 9 points Table 3). The magnet was divided into 16 measuring fields, symmetrically with respect to axes x and y. The measurements were made at the edges of the middle 9 fields. Results of measurements and 3D computations are very close.
Electrical machines are increasingly being employed in electric drives, among other things in car industry (ecological cars) and aerospace sector. In these drives, in order to increase the dynamics of the electric drive moment of interia should not be a large value. The mass of motor is one of the factors influencing the moment of interia. This paper deals with the axial flux permanent magnet (AFPM) motor. The structure of the motor is the following: disc type, inner coreless stator with windings in segmented electromagnetic array (SEMA) technology. In such electric motors the decrease of their mass can be obtained by the decrease of back iron thickness. The reduction of back iron thickness in disc motor can be attained by application of permanentmagnets with multi-directional magnetization (permanent magnets arranged in Halbach array). The paper presents the results of simulation researches of the influence of application of permanent magnets (PMs) with multi-directional magnetization on magnetic flux density distribution in back iron of magnetoelectric disc motors.
The paper presents modified nonlinear simplex algorithm with lexicographic order comparison of produced solutions and its application to the optimal induction motors design. In the comparison of solutions produced in optimization process have been taking into account both the objective function value and the additional parameter called satisfaction level of constraints. This method of comparison allows advantage of feasible solutions and control of the degree of the advantage during the optimization process. The special attention was pointed out on the choice of algorithm parameters and kind of mutation operator. Presented algorithm have been implemented in object-oriented software. Calculation results of selected double-cage induction motors have been compared with results obtained by application evolution strategy (μ+λ)-ES and hybrid algorithm assembled with this strategy and modified Price algorithm. The additional calculation experiment allows the comparison of exploitation properties between α-Constrained Simplex Method and Modified Price Algorithm. The examinations demonstrates, that the algorithm can be used in optimization of induction motors, but only by not very restrictive constraints concerning functional parameters.
The paper presents a modified nonlinear simplex algorithm with lexicographic order comparison of solutions and its application to the design of optimal induction motors. In the comparison of the solutions generated in the optimization process, both the objective function value and the additional parameter, called the satisfaction level of constraints, have been taken into account. The comparison method assigns some advantage degree to feasible solutions, thus allows for the control of this advantage degree during the optimization process. Special attention has been paid to the choice of the algorithm parameters and to the kind of the mutation operator. The presented algorithm has been implemented in the object-oriented software. Calculation results of the selected double-cage induction motors have been compared with the results obtained with the evolution strategy (μ+λ)-ES and with the hybrid algorithm assembled with the modified Price algorithm. An additional calculation experiment allows for the comparison of exploitation properties between the α-Constrained Simplex Method and the Modified Price Algorithm. As the investigations showed, the presented algorithm can be successively used for the optimization of the induction motors, however, with constraints, which are not very restrictive concerning respective functional parameters.
The paper presents an algorithm and software for the optimal design of permanent magnet brushless DC motors. Such motors are powered by DC voltage sources via semiconductor switches connected to the motor phase belts. The software is adjusted to the design of motors with NdFeB high energy density magnets. An attention has been given to issues important in the design of the motors, i.e., permanent magnet selection, structure of magnetic circuit, and armature windings. Particularly, precision of calculation of the permanent magnet operating point, visualization of selection process of the winding belts, and magnetic circuit dimensioning have been investigated. The authors have been trying to make the equations more specific and accurate than those presented in the literature. The user software interface allows changes in the magnetic circuit dimensions, and in the winding parameters. It is possible to examine simultaneously the influence of these changes on the calculation results. The software operates both with standard and inverted (outer rotor) motor structure. To perform optimization, a non-deterministic method based on the evolution strategy (ž + λ) - ES has been used.
9
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Silniki magnetoelektryczne bezkomutatorowe, nazywane w literaturze anglosaskiej permanent magnet d.c. brushless motors, należą do grupy silników o regulowanej prędkości obrotowej, uzyskiwanej za pomocą zmiany częstości przełączania pasm uzwojeń twornika. Silniki te są zasilane ze źródła napięcia stałego za pośrednictwem półprzewodnikowych układów przełączalnych. Trudność w ich projektowaniu wynika głównie z braku pełnej teorii występujących w nich zjawisk.
EN
Magnetoelectric non-commutator motors belong to motors of controlled rotational speed by changing the frequency of armature winding section switch change. The motors are powered by direct current source via semiconducting switching systems. The article focuses on inreasing the accuracy of magnet working point identification and on visualization of the winding section selection process as well as magnetic circuit dimensions. The prepared programme may be used for designing of both classical and reversed structure motors i.e. with inner stationary armature and external rotor with magnets stuck on its internal surface. Non-deterministic optimizing procedure of motor synthesis was also applied.
The paper presents the algorithm and software for design of the optimal permanent magnet brushless d.c. motors. This motors are powered from d.c. voltage source through semiconductor switches of the motor phase belts. Design software allows to apply the shell-shaped NdFeB magnets with high energy density. In algorithm only analytical formulas have been applied without introducing of numerical field analysis methods. The software based on this algorithm is the fast and effective tool for design of permanent magnet d.c. motors. By its elaboration authors have take attention to ensure user convenience. The software interface allows to introduce changes of magnetic circuit dimensions and winding structure and parameters and simultaneously to check influence of these changes on the calculation results. The software operates on the standard and inverted motors structures, i.e. with outer rotor. As optimization procedure the non-deterministic method i.e. evolution strategy (μ+λ)-ES have been applied. To the software have been included the basis of materials data, which consists data of several grades of sintered and bonded NdFeB magnets, data of several grades of electrotechnical steels and construction steels for the rotor yokes. The special service software allows to change of existing material data and to introduce data of new materials grades.
In the paper the trial of research of the feasible space structure in induction motors optimization using non-deterministic methods have been presented. The definitions of the subspaces of search space are proposed and they relative dimensions are estimated by two different of constraints restriction levels. The functions of the elaborated special software SSE (Solutions Set Explorer) have been described. The software allows to check, whether being feasible solutions, which have been situated on the n-dimensional straight line between two points which corresponds to the two free selected feasible solutions. Moreover the software show in visual way values of all independent variables on the free selected points. Using this software several sets of feasible solutions, obtained from different non-deterministic procedures applied to the three double-cage induction motors optimization with different constraints restriction levels., have been analyzed.
12
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Application possibilities of three non-deterministic algorithms for induction motors optimization have been tested. These are the following algorithms investigated: the swarm optimization algorithm (PSO - Particle Swarm Optimization); the algorithm based on the social behavior of human societies grouped in the civilization (SBBOA - Social Behavior Based Optimization Algorithm), and the immune algorithm (CSA - Clonal Selection Algorithm). The mentioned algorithms, which are similar to the evolution methods, operate on sets (populations) of solutions, but without the use of direct mechanisms of the natural selection and succession. For this reason they are named the non-evolutionary methods. Calculation results of two 3-phase induction motors with double-cage rotor are presented in this paper. The computational experiment shows usefulness of the immune algorithm for the induction motors optimization and rather a non-usefulness for these purposes of the algorithm based on the social behavior.
PL
W pracy rozpatrzono możliwości zastosowania trzech niedeterministycznych algorytmów w optymalizacji maszyn elektrycznych. Zbadano algorytmy optymalizacji: rojowej; bazującej na zachowaniach społeczeństw tworzących cywilizację; immunologiczny. W tych algorytmach, podobnie jak w metodach ewolucyjnych, operuje się na zbiorach (populacjach) rozwiązań, jednak nie wykorzystując bezpośrednio mechanizmów doboru naturalnego oraz dziedziczenia. Eksperymenty obliczeniowe wykonane na przykładzie optymalizacji trójfazowych silników indukcyjnych dwu klatkowych wykazały m.in. dużą przydatność algorytmu immunologicznego oraz nieprzydatność algorytmu opartego na zachowaniach społeczeństw. Natomiasl algorytm optymalizacji rojowej jest wprawdzie skuteczny, ale prowadzi do gorszych wyników niż algorytm ewolucyjny oraz strategia ewolucyjna (μ + λ)-ES.
13
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Przedstawiono algorytm optymalizacyjny wzorowany na działaniu systemu immunologicznego ssaków (CSA - Clonal Selection Algorithm), który wytwarza przeciwciała zwalczające szkodliwe organizmy - antygeny. W optymalizacji przyjmuje się, że antygenem jest hipotetyczne rozwiązanie optymalne, a przeciwciałami - rozwiązania uzyskiwane podczas działania algorytmu. Wyniki obliczeń optymalizacyjnych silników indukcyjnych dwuklatkowych uzyskane przy zastosowaniu algorytmu CSA potwierdziły jego przydatność w zadaniach optymalizacji.
EN
Optimization algorithm based on fundamental behavior of mammal immune system (CSA - Clonal Selection Algorithm) have been presented. That system create antibodies, which eliminates harmful organisms - antigens. In optimization the hypothetical optimal solution is assumed as antigen, and solutions obtained during process - as antibodies. The results of four double-cage induction motor optimization obtained from CSA procedure, has been proved its usefulness for induction motors optimization.
14
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W pracy przedstawiono algorytm optymalizacyjny wzorowany na działaniu systemu immunologicznego ssaków (CSA - Clonal Selection Algorithm). System ten wytwarza przeciwciała, które zwalczają szkodliwe organizmy- antygeny. Miarą skuteczności przeciwciał jest stopień ich podobieństwa do antygenów. W optymalizacji przyjmuje się, że antygenem jest hipotetyczne rozwiązanie optymalne, a przeciwciałami są rozwiązania uzyskiwane podczas działania algorytmu. Wyniki obliczeń optymalizacyjnych czterech silników indukcyjnych dwuklatkowych przy zastosowaniu algorytmu CSA porównano z wynikami uzyskanymi przy optymalizacji za pomocą strategii ewolucyjnej (//f/l)-ES. W celu poprawy wyników optymalizacji silnika, przy ostrych ograniczeniach parametrów funkcjonalnych, zastosowano zagregowany algorytm złożony z w/w strategii oraz procedury CSA.
EN
In the paper the immune algorithm, based on fundamental behavior of mammal immune system (CSA - Clonal Selection Algorithm) have been presented. That system created antibodies which eliminates harmful organisms - antigens. In optimization the hypothetical optimal solution is assumed as antigen, and solutions obtained during process - as antibodies. The results of four double-cage induction motors optimization obtained from CSA procedure has been compared to results obtained by using evolution strategy (//+A)-ES. In aim to improvement the optimization results by restrictive constraints concerned motor parameters, the aggregate algorithm assembled with mentioned strategy and CSA procedure has been applied.
15
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W pracy przedstawiono wyniki badań skuteczności trzech algorytmów niedeterministycznych w optymalizacji silników indukcyjnych. Badano algorytmy: optymalizacji rojowej (PSO - Particie Swarm Optimization); bazujący na zachowaniach społeczeństw tworzących cywilizację (SBBOA -Social Behawiour Based Optimization Algorithm) oraz immunologiczny (CSA - Clonal Selection Algorithm). W wymienionych algorytmach, podobnie jak metodach ewolucyjne operuje się na zbiorach (populacjach) rozwiązań, jednak nie wykorzystując bezpośrednio mechanizmów doboru naturalnego oraz dziedziczenia. Eksperymenty obliczeniowe wykazały przydatność algorytmu immunologicznego w optymalizacji silników indukcyjnych oraz nieprzydatność algorytmu opartego na zachowaniach społeczeństw.
EN
In the paper the application possibility of three non-deterministic algorithm for induction motors optimization have been tested. The following algorithms has been taken into consideration: the swarm optimization algorithm (PSO - Particle Swarm Optimization); the algorithm based on social behaviour of human societies grouped in the civilization (SBBOA - Social Behaviour Based Optimization Algorithm) and the immune algorithm (CSA - Clonal Serlection Algorithm). The mentioned algorithms, similarly to evolution methods, operates on sets (populations) of solutions, but without to used directly mechanisms of natural selection and succession. Computational experiments raised the usefulness of the immune algorithm for the induction motors optimization and - non-usefulness of the algorithm based on social behaviour.
In the introductory part of the paper a application review and achievements outline of high speed motors from the beginning of applying, i.e. from 40 years of XX century are presented. Then the attention was directed on issues concerning structure of high speed motors and additional phenomena connected with supplying from high frequency voltage source, i.e. mechanical stresses; skin effect; power losses and their increasing caused by non-sinusoidal shape of supplying voltage. The extends and supplements of calculation algorithm and computation program concerned: mechanical power losses calculations (friction and windage losses), calculations of winding resistances and reactances by increased frequency and air gap thickness are presented. Moreover are presented the general technological requirements connected with start of motors production in examined rated power and rotation speed range. The software presented in the paper enabled high speed motors calculations of rated power up to 100 kW. As an example the calculations are performed for five two-pole motors of synchronous rotating speed 18 000 rpm, i.e. of supply voltage frequency 300 Hz.
17
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W pracy przedstawiono trzy wybrane metody definiowania kar za przekroczenie ograniczeń przy optymalizacji w obszarze ograniczonym. Wykonane eksperymenty obliczeniowe wykazały, że najbardziej efektywna jest metoda samoczynnej adaptacji przystosowań, zwłaszcza dla silników o większej mocy znamionowej oraz przy nałożeniu restrykcyjnych ograniczeń dotyczących sprawności oraz parametrów rozruchowych.
EN
The paper presents three selected methods to define of the penalty for constraints violation in constrained optimization. Calculation experiments indicates, that most effective is the self adaptive fitness method, especially in application to the motors with greater rated power and more restrictive constraints concerning starting parameters.
Na przykładzie optymalizacji silnika dwuklatkowego przedstawiono propozycję połączenia strategii ewolucyjnej z metodą sterowanego przeszukiwania stochastycznego (Controlled Random Search), w celu bardziej dokładnego zlokalizowania optymalnego wektora zmiennych decyzyjnych. Opracowana procedura optymalizacyjna pozwala zmniejszyć rozrzut (zawęzić odchylenie standardowe) wyników obliczeń otrzymywanych przy wielokrotnym ich powtarzaniu za pomocą strategii ewolucyjnej ( μ+ λ)-ES, bez jej kojarzenia z inną procedurą, np. stochastyczną. W tym celu opracowano metodę optymalizacji złożoną ze strategii ewolucyjnej ( μ+ λ)-ES i z zaproponowanej modyfikacji stochastycznego algorytmu Price'a.
EN
The paper presents a proposal of the connection of the evolution strategy with the controlled random search algorithm - for a more accurate objective localization of the optimal independent variables vector. Elaborated optimization procedure is able to decrease dispersion (decrease the standard deviation) of calculation results obtained by repeatedly applied evolution strategy (μ + λ )-ES without its association with other procedure, for instance with stochastic procedure. In this aim the evolution strategy ( μ+ λ)-ES compounded with modification of the stochastic Price's algorithm has been elaborated.
W artykule przedstawiono zastosowanie metod niedeterministycznych w optymalizacji jednofazowych silników indukcyjnych. Testowano trzy odmiany strategii ewolucyjnych oraz algorytm genetyczny z częściową wymianą populacji i zmiennoprzecinkową reprezentacją genów w chromosomach. Na podstawie eksperymentów obliczeniowych zbadano wpływ liczby osobników w populacji, liczby pokoleń oraz zastosowanych operatorów genetycznych na uzyskane wyniki tj. na: średnią wartość funkcji przystosowania, odchylenie standardowe oraz czas obliczeń. Optymalizację przeprowadzono przy 12-tu zmiennych niezależnych oraz 9-ciu ograniczeniach. Założono ciągłą zmienność wszystkich zmiennych niezależnych. Jako funkcję celu przyjęto koszt materiałów czynnych oraz koszt eksploatacji silnika w zadanym czasie pracy. Przedstawiono wyniki obliczeń optymalizacyjnych sześciu silników indukcyjnych jednofazowych z kondensatorem pracy oraz rozruchowym o mocy znamionowej od 1,1 kW do 11 kW, przy użyciu testowanych metod oraz wnioski z przeprowadzonych eksperymentów obliczeniowych.
EN
In the paper an application of the non-deterministics methods to single-phase induction motors optimization is presented. Three kinds of evolution strategies and a genetic algorithm with partial population exchange and floating point representation of genes in chromosomes has been tested. On the basis of calculation experiments the influence of specified number of individuals in a population of the number of generations and genetic operators onto the obtained results, i. e.: the average value of the fitness function, standard deviation and computation time is examined. Optimization was executed with 12 independent variables and 9 constraints. The continuous variation of all independent variables has been assumed. As objective function the total cost of active materials and exploitation cost of the motor in given operation time has been considered. Optimization results for six single-phase induction motors with run and starting capacitors, and motor rated power from 1.1 kW to 11 kW, using the tested methods, and conclusions drawn from the computation experiments are presented.
20
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
This paper presents a proposal of evolution strategy associated with the controlled random search algorithm for more accurate optimization of the three-phase induction motors. Application of the elaborated, so called hybrid optimization procedure, make possible accurate localization of the optimal independent variables vector and decrease of the results standard deviation obtained by repeatedly applied evolution strategy (/rf-/t)-ES without its connection with other procedures, for instance with the stochastic procedure. In (his aim the hybrid optimization procedure has been elaborated which include the evolution slrategy (Μλ)-ES and proposed modification of the stochastic random search Price's algorithm.
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.