268 – SPMモータティース形状のトポロジー最適化

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モデルデータ

概要

モータ設計の基本方針は、トルクの最大化かつ、低振動化です。トルクリップルが小さいほど、モータは低振動となります。一般にトルクリップルはステータのティース形状に影響されます。ギャップ近傍の磁束分布は複雑なため、磁気等価回路で詳細なティース形状を表現することは極めて困難です。
このような要求を満たすには、実際の形状ベースで解析ができるFEAを使用した最適化を実施することが有効です。さらに、トポロジー最適化は初期形状に依存しない探索が行えますので、自由度の高い最適化結果を得られます。
ここでは、on/off法を用いて、ステータティース先端部の領域全体を設計領域とし、平均トルクを最大化、トルクリップルを最小化するステータティース形状を探索します。

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に示す通り、トルクおよびトルクリップルへの影響が大きいと考えられるステータティース部を設計領域としています。

最適化結果

トルクの平均値とトルクリップル率の相関図を図2、図3の内、高トルクかつ低トルクリップルである範囲を拡大したものを図3に示します。図3では、最良ケースとしてトルクの平均値が最大であるA点、トルクリップル率が最小であるB点を記載しています。
最良ケースA、Bのトポロジー最適化形状を、それぞれ図4および図5に示します。
トルクが最大となる最良ケースAではティース内部の材料はすべて電磁鋼板で形成されています。また、スロット開口部があることがわかります。それに対して、トルクリップルが最小となる最良ケースBではティース内部に空気領域が含まれています。また、ティースは全周にわたりつながっておりスロット開口部はありません。

感度解析

ティース形状が与える特性への影響を確認するために、それぞれの最良ケースについて感度解析を実施します。
トルクの平均値が最大である、最良ケースAについて考えます。表2に解析パターンを、図6~8に解析結果を示します。今回のモデルでは、ティースの形状がトルクに与える影響は無く、スロット開口部の幅のみがトルクに影響していることがわかります。
トルクリップル率が最小である、最良ケースBについて考えます。表3に解析パターンを、図9~11に解析結果を示します。ティース部の空気領域の有無がトルクリップル率に影響を与えていることがわかります。

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