概要

モータ設計に求められる要件は高度化しており、トルクリップルや逆起電圧、線間電圧制限、磁石の減磁耐性、コアにかかる応力、遠心力による変位の制約を満たしつつ、低速時や高速時のトルクを最大化させることが求められます。
このような厳しい要求を満たすには、FEAを使用した最適化が有効です。特にトポロジー最適化は、初期形状に依存しない探索が行えるため、自由度の高い設計案を得られます。
ここでは、磁界と構造の連成解析を実施し、ロータコアの強度を考慮しながら、密度法を使用したトポロジー最適化を用いて、平均トルクを最大化するロータ形状を探索します。

最適化条件

図1に設計領域、表1に評価項目および目的関数を示します。
図1に示す赤枠内が設計領域です。トポロジーは  ロータの強度を考慮しながら1/2極ごとの対称性を考慮します。

最適化結果

ロータの強度を考慮した場合としない場合の全ケース分の平均トルク-トルクリップルのグラフを図2に、最適ケースの平均トルク、トルクリップルを表2に示します。
ロータの強度を考慮しない方が平均トルクが大きくなっています。
ロータの強度を考慮した場合としない場合の最適ケースの材料密度分布コンターと磁束線を表示した結果を図3に示します。
どちらもフラックスバリアが生成され、ロータ内で短絡する磁束を抑制しているため、平均トルクは大きくなっています。ただし、ロータの強度を考慮した場合は、ブリッジが形成されることで磁束が短絡しやすくなります。そのため、ロータの強度を考慮しない方が平均トルクは大きいと考えられます。
ロータの強度を考慮した場合としない場合の最適ケースのR方向変位コンターを表示した結果を図4に示します。
ロータの強度を考慮しない場合はブリッジが生成されずにロータの変位が大きくなり構造上問題があります。考慮した場合は、ブリッジが生成され、変位が抑えられています。
このことから、ロータの強度を考慮した最適化が有用であることがわかります。