Методы оптимизации роторов синхронных электродвигателей с постоянными магнитами

АКТУАЛЬНОСТЬ данного исследования заключается в том, чтобы определить наиболее эффективный метод оптимизации ротора синхронного электродвигателя с постоянными магнитами. В настоящее время синхронные электродвигатели с постоянными магнитами находят все большее применение в различных сферах. Для каждой определенной задачи необходимо разрабатывать синхронный электродвигатель с постоянными магнитами с определенным характеристиками (крутящим моментом, условиями охлаждения и т.д.). Для разработки оптимальной конструкции синхронного электродвигателя с постоянными магнитами используются различные методы оптимизации.

ЦЕЛЬ. Обычные методы оптимизации конструкции синхронного электродвигателя с постоянными магнитами направлены на определение оптимальных значений параметризованных переменных путем их изменения в заданном диапазоне с использованием алгоритмов оптимизации. Применение такого подхода ограничивается параметризацией, которая определена опытом проектировщика и производственными ограничениями. В настоящее время вследствие развития технологий производства металлов и постоянных магнитов, аддитивных технологий, появилась возможность изготавливать металлы и постоянные магниты различных геометрических форм. Это позволило применить метод топологической оптимизации. В настоящее время топологическая оптимизация широко применяется в строительстве, а применение топологической оптимизации в проектировании синхронных электродвигателей с постоянными магнитами только сейчас получает бурное развитие. Целью является рассмотреть существующие методы оптимизации, определить плюсы и минусы каждого из методов оптимизации.

МЕТОДЫ. При решении поставленных задач производился сравнительный анализ различных методов оптимизации роторов синхронных электродвигателей с постоянными магнитами.

РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье описана актуальность рассматриваемой темы. Определены наиболее эффективные методы оптимизации роторов синхронных электродвигателей с постоянными магнитам. Определены условия, в которых наиболее эффективно применение того или иного метода оптимизации ротора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В статье описаны различные методы оптимизации роторов синхронных электродвигателей с постоянными магнитами. Описаны плюсы и минусы различных методов оптимизации. После изучения различных видов оптимизации, пришли к выводу, что наиболее эффективным методом оптимизации является метод оптимизации топологии, для роторов синхронных электродвигателей с постоянными магнитами.

1. Bramerdorfer G., Tapia J.A., Pyrhonen J.J., Cavagnino A. Modern electrical machine desing optimization: Techniques trends, and best practices // IEE Transactions on Industrial Electronics. 2018. Vol. 65, no.10. pp. 7672-7684.

2. Deaton J.D., Grandhi R.V. A survey of structural and multidisciplinary continuum topology optimization: post 200 // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2014. Vol. 49, no.1, pp. 1-38.

3. Jian Z., Zhibin W., Haiqiang L. Modal Analysis and Structure Optimization of Permanent Magnet Synchronous Motor // IEE Transactions on Industrial Electronics. 2020. No.10. pp. 1-11.

4. Ле, Нго Фыонг. Генетические алгоритм для оптимизации проектирования синхронного двигателя с инкорпорированными магнитами // Системный анализ и прикладная информатика. 2017. № 1. с. 42-48.

5. Sigmund S., Maute K. Topology optimization approaches // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2013. Vol. 48, no.6, pp. 1031-1055.

6. Escgenauer H.A., Olhoff N. Topology optimization of continuum structures: a review // Appl. Mech. Rev. 2001. Vol. 54, no.4. pp. 331-390.

7. Zargham S., Ward T.A., Ramil R., Bedruddin I.A. Topology optimization: review for structural designs under vibration problems // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2016. Vol. 53, no.6. pp. 1157-1177.

8. Guo F., Brown I.P. Simultaneous magnetic and structural topology optimization of synchronous reluctance machine rotors // IEE Transaction on Magnetic. 2020. No.10. pp. 1-12.

9. Петров Т.И. Топологическая оптимизация параметров синхронных электрических машин с постоянными магнитами в составе приводных комплексов // Тинчуринские чтения. 2019. с. 241-244.

10. Garibaldi M., Gerada C., Ashcroft I., Hague R. Free-form design of electrical machine rotor cores for production using additive manufacturing // Journal of Mechanical Design. 2019. No.7. pp. 200-213.

11. Sato T., Watanade K., Igarashi H. Multimaterial topology optimization of electrical machines based on normalized gaussian network // IEEE transactions on magnetics. 2015. No.3, pp. 1-4.

12. Вавилов В.Е., Исмагилов Ф.Р., Зайнагутдинова Э.И. Применение адвентивных технологий в проектировании и создании электрических машин // Проблемы и перспективы развития двигателестроения; 23-25 июня 2021 г., Самара. с. 281-282.

13. Swensen J.P., Odhner L.U., Araki B. and Dollar A.M. Injected 3D-electrical traces in additive manufactured parts with low melting temperature metals // IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2015. pp. 988-995.

14. Сафин А.Р., Ranjan Kumar Behera. Аддитивное производство и оптимизация топологии магнитных материалов для электрических машин // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2021. Т. 23. №3. С. 14-33.

15. Lamichhane T.N., Sethuraman L., Dalagan A., Wang H., Keller J., Paranthaman M.P. Additive manufacturing of soft magnets for electrical machines – a review // Material Today Physics. 2020. Vol. 15. pp. 250-255.

16. Wrobel R., Mecrow B. A comprehensive review of additive manufacturing in construction of electrical machines // IEEE Transactions on Energy Conversion. 2020. Vol. 35, no. 2. pp. 1054-1064.

17. Pham T., Kwon P., Foster S. Additive manufacturing ang topology optimization of magnetic materials for electical machines – a review // Energies. 2021. Vol. 14, no. 2. pp. 283.

18. Li L., Tirado A., Nlebedim I., Rios O., Post B., Kunc V., Lowden R., Lara-Curzio E., Fredette R., Ormerod J., et al. Big area additive manufacturing of high performance bonded ndfeb magnets // Scientific reports. 2016. Vol. 6, no. 1. pp. 1-7.

19. Volegov A., Andreev S., Selezneva N., Ryzhilhin I., Kudrecatykh N., Madler L., Okulov I. Additive manufacturing of heavy rare earth free high-coercivity permanent magnets // Acta Materialia. 2020. Vol. 188. pp. 733-739.

20. White H., Kassen A.G., Simsek E., Tang W., Ott R.T., Anderson I.E. Net shape processing of alnico magnets by additive manufacturing // IEEE Transactions on Magnetics. 2017. Vol 53. no. 11. pp. 1-6.

21. Korman O, Di Nardo M., Degano M., Gerada C. On the use of topology optimization for synchronous reluctance machines design // Energies. 2022. Vol. 57, no. 6. Pp. 3719.

22. Lolova I., Barta J., Bramerdorfer G., Silber S. Topology optimization of line-start synhromous reluctance machine. 2020 International Conference on Mechatronics-Mechatronika (ME). IEEE. 2020. pp. 1-7.

23. Lee J., Seo J.H., Kikuchi N. Topology optimization of switched reluctance motors for the desired torque profile // Structural and multidisciplinary optimization. 2010. Vol. 42, no. 5. pp. 783-796.

24. Okamoto Y., Hoshino R., Wakao S., Tsuburaya T. Improvement of torque characteristics for a synchronous reluctance motor using mm abased topology optimization method // IEE transactions on magnetics. 2017. Vol. 54. no. 3. pp. 1-4.

25. Sato S., Sato T., Igarashi H. Topology optimization of synchronous reluctance motor using normalized gaussian network // IEE transactions on magnetics. 2015. Vol. 51. pp. 1-4.

26. Yamashita Y., Okamoto Y. Design optimization of synchronous reluctance motor for reducing iron loss and improving torque characteristic using topology optimization based on the level-set method // IEE Transactions on Magnetics. 2020. Vol. 56. no. 3. pp. 1-4.

27. Otomo Y., Igarashi H. Topology optimization using gabor filter: Application to synchronous reluctance motor // IEEE Transactions on Magnetics. 2021. Vol. 57. no.6. pp. 1-4.

28. Watanabe K., Suga T., Kitabatake S. Topology optimization based on the on/off method for synchronous motor // IEEE Transactions on Magnetics. 2018. Vol. 54. no. 3. pp. 1-4.

29. Xia L., Xia Q., Huang X., Xie Y.M. Bi-directional evolutionary structural optimization on advanced structures and materials: a comprehensive review // Archives of Computational Methods in Engineering. 2018. Vol. 25. no. 2. pp. 437-478.

30. Huang X., Xie M.Y. A further review of eso type methods for topology optimization // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2010. Vol. 41. no. 5. pp. 671-683.

31. Querin O.M., Steven G.P., Xie Y.M. Evolutionary structural optimization (eso) using a bidirectional algorithm // Engineering computation. 1998. Vol. 15. no. 8. [p. 1031-1048.

32. Guo F., Salameh S., Krishamurthy M., Brown I.P. Multimaterial magneto-structural topology optimization of wound field synchronous machine rotors // IEEE Transactions on Industry Applications. 2020. Vol. 56. No. 4. pp. 3656-3667.

33. Ma B., Zheng J., Lei G., Zhu J., Jin J., Guo Y. Topology optimization of ferromagnetic components in electrical machines // IEEE Transactions on Energy Conversion. 2020. Vol. 35. no. 2. pp. 786-789.

34. Башин К.А., Торсунов Р.А., Семенов С.В. Методы топологической оптимизации конструкций, применяющиеся в аэрокосмической отрасли // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2017. №51. с. 51-61.

35. Sigmund O., Maute K. Struct topology optimization ap-proaches A comparative review // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2013. Vol. 48. no. 6. pp. 1031-1055.

36. Liu Z., Korvink J., Huang R. Structure topology optimization: fully coupled level set method via FEMLAB // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2005. Vol. 29. no. 6. pp. 407–417.

37. Шевцова В.С., Шевцова М.С. Сравнительный анализ метод оптимизации топлогии (SIMP и Level Set) на примере реконструкции крыла стрекозы // Вестник южного научного центра. 2013. Т. 9. № 1. с. 8-16.

38. Kuci E., Jansen M., Coulaud O. Level set topology optimization of synchronous reluctance machines using a body-fitted mesh representation // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2021. pp. 1-17.

39. Ren X., Thabuis A., Belahcen A., Perriard Y. Topology optimization for coil of electric machine with level-set method // International Conference on Electrical Machines and Systems. 2019. pp. 1-4.

40. Lee J., Wang S. Topological shape optimization of permanent magnet in voice coil motor using level set method // IEEE Transactions on Magnetics. 2012. Vol. 48. no. 2. pp. 931-394.

41. Kim Y.S., Park I.H. Topology optimization of rotor in synchronous reluctance motor using level set method and shape design sensitivity // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2010. Vol. 20. no. 3. pp. 1093-1096.

42. Hidaka Y., Sato T., Igarashi H. Topology optimization method based on on-off method and level set approach // IEEE Transactions on magnetics. 2014. Vol. 50. no. 2. pp. 617-620.

43. Otomo Y., Igarashi H., Hidaka Y., Komatsu T., Yamada M. 3-d topology optimization of claw-pole alternator using gaussian-basis function with global and local searches // IEEE Transactions on Magnetics. 2019. Vol. 56. no. 1. pp. 1-4.

44. Tiismus H., Kallaste A., Vaimann T., Rassolkin A. State of her art of additively manufactured electromagnetic materials for topology optimized electrical, machines // Additive Manufacturing. 2022. P. 102778.

45. Khan A., Midha C., Lowther D. Reinforcement learning for topology optimization of a synchronous reluctance motor // IEEE Transactions on Magnetics. 2022. Vol. 58. no.9. pp. 1-4.

46. Sasaki H., Hidaka Y., Igarashi H. Explainable deep neural network for design of electrical motors // IEEE Transactions on Magnetics. 2021. Vol. 57. no. 6. pp. 1-4.

47. Asanuma J., Doi S., Igarashi H. Transfer learning through deep learning: Application to topology optimization of electrical motor // IEEE Transactions on Magnetics. 2020. Vol. 56. no. 3. pp. 1-4.

48. Doi S., Sasaki H., Igarashi H. Multi-objective topology optimization of rotation machines using deep learning // IEEE Transactions on Magnetics. 2019. Vol. 55. no. 6. pp. 1-5.

49. Deng C., Wang Y., Qin C., Fu Y., Lu W. Self-directed online machine learning for topology optimization // Nature communications. 2022 Vol. 13. no.1. pp. 1-14.

50. Петров Т.И. Название диссертации: Методы комплексной топологической оптимизации ротора синхронного электрического двигателя с постоянными магнитами канд. тех. наук. Казань; 2021. Доступно по: https://kgeu.ru/Document/GetDissDoc/4495d7e9-e9d7-45d7-8178-a31c0e9e1d57. Ссылка активна на 05.02.2023.

51. Hiruma S., Ohtani M., Soma S., Kubota Y., Igarashi H. Novel hybridization of parameter and topology optimizations: Application to permanent magnet motor // IEEE Transactions on Magnetics. 2021. Vol. 57. no. 7. Pp. 1-4.

52. Credo A., Fabri G., Villani M., Popescu M. Adopting the topology optimization in the design of high-speed synchronous reluctance motors for electric vehicles // IEEE Transactions on Industry Applications. 2020. Vol. 56. no.5. pp. 5429-5438.

53. Ситников М.А., Галунин С.А., Белахсен Ануар Оптимизация топологии ротора высокосортной синхронной реактивной машины // Развивая энергетическую повестку будущего; 10-11 декабря 2021 г., Сакнт-Петербург. с. 142-146.

54. Петров Т. И. Модификация генетического алгоритма для комплексной топологической оптимизации ротора синхронных двигателей // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2021. – Т. 23, № 3. – С. 70-79.

55. Petrov T., Safin A. Modification of the synchronous motor model for topological optimization // E3S Web of Conferences, Prague, May 14–15, 2020. – Prague, 2020. – P. 01016.