[JAC319] オフライン最適化を活用したIPMモータの設計探査

概要

モータ設計においては、金型製作費や生産ラインの変更に伴う膨大な初期コストと開発期間を抑制するため、ステータやロータのコア形状を変更せずに、新要件への適合を目指すケースが多くあります。
しかし、これらの調整可能な設計変数は多岐にわたり、その組み合わせは膨大となるため、FEAを用いて全範囲を網羅的に検証するには多大な計算時間を要するという課題があります。
この課題に対し、本事例では事前に作成した「代理モデル」を活用した設計探査手法を提案します。代理モデルを参照することで、都度FEA計算を行わずに特性を見積もることが可能となります。
ここでは、この代理モデルを用いたオフライン最適化計算によって、計算コストを抑えながら短時間で所望の要件を満たす設計案を導き出すプロセスを紹介します。

既存設計と新規要件

既存設計をベースに最適化計算を行い、新規要件への適合を目指します。
表1に既存設計と新規要件を示します。

最適化条件

表2と図1に設計変数、表3に目的関数、表4に制約条件を示します。
なお、設計探査範囲を広げる目的で、低速のトルクは最適化計算の制約としては含めていません。最適化結果から制約を満たしている範囲を確認しています。
また、代理モデルはFEAに比べて誤差を持ちます。ここでは、事前の確認で電圧の予測誤差によって実行可能解が得られなかったため、電圧の制約値を2(%)緩め、510(V)以下としています。

最適化結果

図2に最適化計算によって得られた全個体と実行可能解を、図3にその中から選定した最終形状を示します。なお、図3の形状は、得られた解の中で鉄損が最小の個体を選択しました。
実行可能解が得られていることから、今回の要件変更に対しては、既存のコア形状をそのまま利用して対応可能であると言えます。
最終形状である図3を確認すると、今回の要件を達成するために、回転子表面の磁石面積（赤丸部）、巻数、積厚を減少させていることが分かります。

オフライン最適化結果とFEAの比較

表5にオフライン最適化結果と、オフライン最適化計算から得られた設計パラメータを用いて、FEAで検算した結果を比較します。いずれの応答値も±4(%)以下で予測ができていることが分かります。
図4にFEA計算結果から得られたトルク波形、磁束密度分布、ミーゼス応力分布を示します。オフライン最適化計算とFEA計算を併用することで、最適化計算時間を削減すると共に、詳細分析を低コストで実施することができます。