第23回計測自動制御学会

システムインテグレーション部門講演会

SI2022

概要 / Outline

第23回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会(SI2022)に参加しました。


開催日:2022年12月14日(水)~16日(金)

会場:幕張メッセ国際会議室


発表者 :源元 颯人

講演番号:3P3-A06

タイトル:平均トルクを制約条件に持つトポロジー最適化を用いた電磁モータ回転子鉄心の軽量設計


発表者 :清水 拓見

講演番号:3P2-D04

タイトル:画像処理の応用によるトポロジー最適化された回転子の加工可能な形状への

近似手法

Date: Wednesday, December 14 - Friday, December 16, 2022

Venue: International Conference Room, Makuhari Messe


Presenter :Hayato Minamoto

Presentation Number: 3P3-A06

Title : Lightweight Design of Rotor Core of Electromagnetic Motors using Topology Optimization with Average Torque as a Constraint


Presenter : Takumi Shimizu

Lecture Number : 3P2-D04

Title : Approximation of topology-optimized rotors to machinable shapes by application of image processing

発表内容 1 / Contents No.1

平均トルクを制約条件に持つトポロジー最適化を用いた電磁モータ回転子鉄心の軽量設計

Lightweight Design of Rotor Core of Electromagnetic Motors using Topology Optimization with Average Torque as a Constraint

1. 背景 / Background

生産設備の軽量化による省エネルギー化や衝突安全性の向上のため,生産設備を構成する要素の1つである電磁モータの軽量化を目指す.電磁モータの軽量化手法としてトポロジー最適化を用いる.これまで本研究では,質量を最小化する目的関数と,平均トルクを最大化する目的関数を重み付け和で結合して単目的の関数とすることで,軽量化と高トルク化を目指した.結果として,目的関数の重みによって異なる,低質量かつ低トルクな構造や,高質量かつ高トルクな構造が得られた[1].

本稿では,生産設備で用いる電磁モータの設計への適用を考え,目標トルクを出力可能である電磁モータの軽量設計を目指す.前述の手法[1]を利用すると,目標トルクが出力可能なモータ構造を得るまで,設計者が試行錯誤的に目的関数の重みを設定する必要がある.時間的コストがかさむばかりか,設計者の経験による判断に依存し最適な構造が得られない場合も考えられる.そこで本稿では,最適化の制約条件として,平均トルクが目標トルク以上となる条件を含めることで,設計者の試行錯誤的な設定を要しない,目標トルクを出力可能な電磁モータの軽量設計を試みる.

To reduce the weight of production equipment to save energy and improve crash safety, we aim to reduce the weight of electromagnetic motors, which are one of the components of production equipment. Topology optimization is used as a weight reduction method for electromagnetic motors. In this study, an objective function to minimize the mass and an objective function to maximize the average torque were combined by weighted sums to form a single objective function. As a result, low-mass and low-torque structures and high-mass and high-torque structures were obtained, depending on the weight of the objective function [1].

In this paper, we consider the application to the design of electromagnetic motors used in production equipment, and aim to achieve a lightweight design of electromagnetic motors capable of outputting the target torque. Using the aforementioned method [1], the designer must set the weights of the objective function by trial and error until a motor structure capable of outputting the target torque is obtained. Not only is this time-consuming and costly, but it is also dependent on the designer's experienced judgment, and the optimal structure may not be obtained. Therefore, this paper attempts to design a lightweight electromagnetic motor that can output the target torque without requiring the designer's trial-and-error setting by including the condition that the average torque is greater than or equal to the target torque as a constraint condition for optimization.

2. 手法 / Methods

図1に遺伝的アルゴリズムによるトポロジー最適化の流れを示す.ここで,コーディング形式は正規化ガウス関数ネットワークによるコーディング[2]とし,遺伝的アルゴリズムはシンプレクス交叉[3]とする.

Figure 1 shows the flow of topology optimization by genetic algorithm. Here, the coding format is coding with a normalized Gaussian function network [2] and the genetic algorithm is simplex crossover [3].

図1 トポロジー最適化のアルゴリズム

Figure 1  Algorithm for topology optimization

目的関数を次式のように定める.

The objective function is defined as follows

ここで,第1項は質量を最小化する目的関数であり, 第2項は平均トルクが目標トルク以上となるようにするペナルティー関数である.平均トルクが目標トルクより低い場合は線形にペナルティーを加算する.

図2は電気学会Dモデル[4]の断面図を示す.電気学会Dモデルをベースモデルとする.図3の赤色領域は設計領域を示す.目標トルクτ_des をベースモデルの平均トルクとし,設計領域における回転子鉄心の構造を最適化する. 

The first term is the objective function to minimize the mass, and the second term is a penalty function to ensure that the average torque is greater than or equal to the target torque. If the average torque is lower than the target torque, the penalty is added linearly.

Figure 2 shows a cross-sectional view of the IEEJ D model [4]. The IEEJ D model is used as the base model. The red area in Figure 3 indicates the design region. The target torque τ_des is the average torque of the base model, and the structure of the rotor core in the design region is optimized.

図2 電気学会Dモデルの1/4断面図

Figure 2: 1/4 cross-sectional view of IEEJ D-model

図3 設計領域

Figure 3 Design area

3. 結果 / Results

図4にゲイン K ごとの最適化結果における回転子鉄心の質量と平均トルクを示す.また,図5にゲイン K ごとの最適化結果における回転子形状を示す.ゲイン K が小さい場合,回転子鉄心がほとんど存在せず,平均トルクが目標トルクに対し小さい形状が得られた.一方で,ゲイン K が十分に大きい場合,目標トルク近傍の平均トルクである軽量な構造を得ることができた.これより,本手法はゲイン K を設計者が設定する必要があるが,ゲイン K が十分に大きい値であれば目標形状を得られると言える.

Figure 4 shows the mass and average torque of the rotor core for each gain K. Figure 5 shows the rotor geometry for each gain K. When the gain K is small, the rotor core is almost nonexistent and the average torque is small compared to the target torque. For small gain K, the rotor core is almost nonexistent and the average torque is small compared to the target torque. On the other hand, when the gain K is sufficiently large, a lightweight structure with an average torque near the target torque is obtained. From this, it can be said that this method can obtain the target shape if the gain K is sufficiently large, although the gain K must be set by the designer.

図4 ゲインK ごとの最適化結果における回転子鉄心質量と平均トルク

Figure 4 Rotor core mass and average torque for optimization results for each gain K

図5 ゲイン K ごとの最適化結果における回転子形状

Figure 5 Rotor shape in optimization results for each gain K

4. 結論 / Conclusions

設計者に依存しない目標トルクを出力可能な電磁モータの軽量設計のため,目的関数に質量を陽に含み,ペナルティー関数として制約条件に平均トルクを含む最適化を提案した.回転子鉄心を対象に最適化したところ,目標トルクと同等の平均トルクを有する軽量な回転子鉄心の構造が得られた. 

For the lightweight design of electromagnetic motors capable of outputting a designer-independent target torque, we proposed an optimization that explicitly includes mass in the objective function and average torque in the constraints as a penalty function. Optimization for the rotor core resulted in a lightweight rotor core structure with an average torque equivalent to the target torque.

参考文献 / Reference

[1] 源元颯人,遠藤央,中村裕司,田中真平,野口孝浩,“軽量化のためのトポロジー最適化を用いた電磁モータにおける回転子鉄心の最適設計”,日本機械学会 ロボティクス・メカトロニクス講演会2022 in Sapporo (2022),2A2-M09.[2] 佐藤 孝洋, 五十嵐 一, 高橋 慎矢, 内山 翔, 松尾 圭祐, 松橋 大器, “トポロジー最適化による埋込磁石同期モータの回転子形状最適化”, 電気学会論文誌D(産業応用部門誌) (2015), Vol. 135, No.3, pp. 291-298.[3] 樋口 隆英, 筒井 茂義, 山村 雅幸, “実数値GAにおけるシンプレクス交叉の提案”, 人工知能学会論文誌 (2001), Vol. 16, No.1, pp. 147-155.[4] 電気学会回転機のバーチャルエンジニアリングのための電磁界解析技術調査専門委員会, “回転機のバーチャルエンジニアリングのための電磁界解析技術”, 電気学会技術報告 (2000), No.776 , pp.1-58.

発表内容 2 / Contents No.2

画像処理の応用によるトポロジー最適化された回転子の加工可能な形状への近似手法

1. 背景 / Background

本研究では埋込磁石同期モータ(IPMSM)の軽量化を目的とする.関連研究として,トポロジー最適化を用いたモータ回転子の設計[1]などがある.これらの研究では最適化で得られた形状を実際に製作するために,設計者が形状に修正を加えている.この過程は設計者の直感や経験に基づくため,数値的・理論的とは言い難い.そこで本研究では,画像処理技術を応用して,最適化で得られた形状から加工可能な形状へ近似するアルゴリズムを提案する.本発表では折れ線を平滑化するアルゴリズムと点群に沿った輪郭を作成するアルゴリズムについて述べる.

The objective of this study is to reduce the weight of an embedded magnet synchronous motor (IPMSM). Related research includes the design of motor rotors using topology optimization [1]. In these studies, the shape obtained by optimization is modified by the designer in order to actually fabricate the shape. Since this process is based on the designer's intuition and experience, it is neither numerical nor theoretical. In this study, we propose an algorithm that approximates the shape obtained by optimization to a machinable shape by applying image processing technology. In this presentation, we describe an algorithm for smoothing a polyline and an algorithm for contouring along a point cloud.

2. 手法 / Methods

本研究ではこれまでに,3相4極24スロットIPMSMである電気学会Dモデル[2]を比較対象とし,NGnetを用いたON/OFF法によるIPMSM回転子鉄心のトポロジー最適化を用いた軽量化[3]に取り組んだ.この取り組みにおいて,最適化結果に手を加えない場合,部品としての加工が困難であることが指摘された.表1に具体的な課題と考えられる解決策を示す.本発表では輪郭の平滑化と必要部材の追加について述べる.まず画像処理ライブラリOpenCVを用いて回転子形状の画像から輪郭を節点として抽出する.抽出した節点にRamer-Douglas-Peuckerアルゴリズム[4][5]を適用して輪郭を平滑化する.さらにシャフト外周に沿って設定した節点を追加し,点群を包括する輪郭を作成するアルゴリズム [6]を適用して必要部材を追加する.

In this study, we have previously worked on weight reduction [3] using topology optimization of the IPMSM rotor core by the ON/OFF method using NGnet, using the IEEJ D model [2], a 3-phase, 4-pole, 24-slot IPMSM, as the comparison target. In this effort, it was noted that if the optimization results were not modified, the core would be difficult to machine as a component. Table 1 shows the specific issues and possible solutions. In this presentation, we describe the smoothing of contours and the addition of necessary parts. First, the contour is extracted as a node from an image of a rotor shape using the image processing library OpenCV. The Ramer-Douglas-Peucker algorithm [4][5] is applied to the extracted nodes to smooth the contours. Nodes set along the circumference of the shaft are then added, and the necessary components are added by applying the algorithm [6] to create a contour that encompasses the point cloud.

表 1 最適化結果の具体的な課題と解決策

Table 1 Specific issues and solutions for optimization results

3. 結果 / Results

図1~4 にそれぞれ元形状,平滑化結果,必要部材の追加結果,平滑化+必要部材の追加結果を示す.これらの図より,提案手法を用いて平滑化と必要部材の追加に成功しているこ とが確認できる.図 5~7 に平均トルク,トルクリプル,回転子鉄心質量について近似前と 近似後を比較した結果を示す.これらの図より,平均トルクとトルクリプルについては近似 前とほぼ同等の性能を保っていることが分かる.一方,回転子鉄心質量については増加して いることが分かる.

Figures 1-4 show the original shape, the result of smoothing, the result of adding necessary members, and the result of smoothing + addition of necessary members, respectively. From these figures, it can be confirmed that the proposed method succeeded in smoothing and adding the necessary members. Figures 5~7 show the results of comparing the average torque, torque ripple, and rotor core mass before and after approximation. These figures show that the average torque and torque ripple remain almost the same as before approximation. On the other hand, the mass of the rotor core has increased.

図 1 元形状

Figure 1 Original shape

図 2 平滑化結果

Figure 2 Result of smoothing

図 3 部材追加結果

Figure 3 Result of adding parts

図 4 平滑化+部材追加結果

Figure 4 Result of smoothing + addition of member

図 5 平均トルクの比較

Figure 5 Comparison of average torque

図 6 トルクリプルの比較

Figure 6 Comparison of torque ripple

図 7 回転子鉄心質量の比較

Figure 7 Comparison of rotor core mass

4. 結論 / Conclusions

本発表ではIPMSM回転子鉄心の最適化結果を人の手を介さずに加工可能な形状にすることを目的とし,回転子鉄心の輪郭に細かい凹凸が発生しているという課題とモータシャフトと回転子鉄心の分離という課題に対してそれぞれ画像処理技術を用いて形状を近似する手法を提案した.さらに提案手法をこれまでの本研究で得られたIPMSM回転子鉄心の最適化結果に適用し,形状を近似した後の性能を解析して近似前と比較した.その結果から,提案手法の有効性を確認した.

In this presentation, we propose a method to approximate the shape of the IPMSM rotor core using image processing techniques to solve the problems of fine irregularities in the contour of the rotor core and the separation of the motor shaft and the rotor core, respectively. The proposed method was applied to the optimization results of the IPMSM rotor core obtained in this study, and the performance after shape approximation was analyzed and compared with that before approximation. The results confirm the effectiveness of the proposed method.

参考文献 / Reference

[1] 坂本宏紀, 他:“回転機のトポロジー最適化”, 明電時報, Vol.364, No.3, pp.42-46, (2019) [2] 電気学会回転機のバーチャルエンジニアリングのための電磁界解析技術調査専門委員会:“回転機のバーチャルエンジニアリングのための電磁界解析技術”, 電気学会技術報告, No.776, pp.1-58, (2000) [3] 源元颯人, 他:“軽量化のためのトポロジー最適化を用いた電磁モータにおける回転子鉄心の最適設計”, ROBOMECH2022 in Sapporo, (2022)[4] Ramer, U.:“An iterative procedure for the polygonal approximation of plane curves”, Computer Graphics and Image Processing, Vol.1, No.3, pp.244-256, (1972)[5] Douglas, D., et al. :“Algorithms for the reduction of the number of points required to represent a digitized line or its caricature”, The International Journal for Geographic Information and Geovisualization, Vol.10, No.2, pp.112-122, (1973)[6] Edelsbrunner, H., et al.:“On the shape of a set of points in the plane”, IEEE Transactions on Information Theory, Vol.4, pp.551-559, (1983)