ロボティクス・メカトロニクス講演会2022(ROBOMECH2022 in Sapporo)に参加しました。

Participated in Robotics and Mechatronics Lecture Meeting 2022 (ROBOMECH2022 in Sapporo)

概要 / Outline

Dates: June 1 (Wed) - 4 (Sat), 2022

Venue: SORA Sapporo Convention Center

Presenter：Hayato Minamoto

Presentation Number: 2A2-M09

Title: Optimal Design of Rotor Core in Electromagnetic Motors using Topology Optimization for Weight Reduction

発表内容 / Contents

1. 背景 / Background

電磁モータの質量を小さくすることでトルク密度や出力密度を上げ，電磁モータの高性能化を目指す．本研究では構造最適化，特に設計自由度の高いトポロジー最適化に着目し，電磁モータの軽量化を試みる．本稿では電磁モータの軽量設計のために，軽量な回転子鉄心の構造を設計することを目的とする．実現の容易な滑らかな形状として設計するため正規化ガウス関数ネットワークを用いた遺伝的アルゴリズムによるトポロジー最適化 [1]を用いる．最適化の目的関数として質量の低減を陽に含む目的関数を用いることで軽量な回転子鉄心を設計する．さらに平均トルクも併せて目的関数に含むことで，性能と軽量化の両立を実現する．

The aim is to increase the torque density and output density by reducing the mass of electromagnetic motors, and to improve the performance of electromagnetic motors. In this study, we attempt to reduce the weight of electromagnetic motors by focusing on structural optimization, especially topology optimization, which offers a high degree of design freedom. The objective of this paper is to design a lightweight rotor core structure for the lightweight design of electromagnetic motors. In order to design a smooth shape that is easy to realize, topology optimization using a genetic algorithm with a normalized Gaussian function network [ 1 ] is used. A lightweight rotor core is designed by using an objective function that explicitly includes mass reduction as the optimization objective function. Furthermore, by including the average torque in the objective function, both performance and weight reduction are achieved.

2. 手法 / Methods

3. 結果 / Results

図4は最適化結果を示すここで電流位相角020と目的関数の重み0.25,0.5,0.75で場合分けをし，それぞれで最適化した重みが大きい場合高平均トルクかつ高質量な形状が得られ重みが小さい場合低平均トルクかつ低質量な形状が得られたまた，電流位相0マグネットトルクのみ利用の場合20マグネットトルクとリラクタンストルクを利用に比べて目的関数の値が大きいケースが多くより適した形状が得られた本手法によりトルクリプルが大きいもののベースモデルと同等トルクかつ軽量な構造を設計できたまた，鉄心の軽量化を目的とする最適化のためリラクタンストルクを用いる電流位相20条件下での最適化は優位に働かなかったと考えられる．

Figure 4 shows the optimization results, where the cases are divided by the current phase angle 020 and the objective function weights 0.25, 0.5, and 0.75. When the weights are large, a shape with high average torque and high mass is obtained, and when the weights are small, a shape with low average torque and low mass is obtained. In the case of using only the magnet torque with a current phase of 0.20, the objective function was larger than that of using the magnet torque and reluctance torque, and a more suitable shape was obtained. It is considered that the optimization under the current phase 20 condition using reluctance torque was not advantageous.

図4 電流位相角・目的関数の重みごとの最適化結果

Figure 4 Optimization results for each weight of current phase angle and objective function

4. 結論 / Conclusions

本発表では電磁モータの軽量化のため，正規化ガウス関数ネットワークを用いた遺伝的アルゴリズムによるトポロジー最適化にて，軽量な回転子鉄心の設計を目指した．電気学会Dモデルをベースモデルとして最適化した結果，トルクリプルは増加するが，同等の平均トルクかつ軽量な回転子鉄心構造を得られた．

In this presentation, a lightweight rotor core was designed by topology optimization using a genetic algorithm with a normalized Gaussian function network in order to reduce the weight of electromagnetic motors. The optimization using the IEEJ D model as the base model resulted in a lighter rotor core structure with the same average torque, although the torque ripple was increased.

参考文献

【関連Link】

ロボティクス・メカトロニクス 講演会 2022 in Sapporo | 主催　一般社団法人 日本機械学会 ロボティクス・メカトロニクス部門 (robomech.org) 

一般社団法人 日本機械学会 (jsme.or.jp)