@phdthesis{oai:muroran-it.repo.nii.ac.jp:02000153,
 author = {SUN, ZHE and スン, ジエン},
 month = {2023-11-29, 2024-05-23},
 note = {With the electrification trend of electric vehicles and industrial machines, more and more attention has been paid to electric motors. As a conversion device of electrical energy and mechanical energy, the performance of the motor will directly determine the competitiveness of the product. The performance of a motor is basically determined by the motor structure, which can be optimized by many different methods according to the way of shape expression. The topology optimization method is a kind of state-of-art method for structural optimization, in this method, the material can be freely distributed in the design domain. Compared with other geometry design methods such as the size design and shape design, topology optimization has the highest freedom to express the shape. Topology optimization was first used in the design of mechanical structures, and so far it has been extended to more fields, such as the design of electromagnetic devices and electric motors.
The purpose of this study is to broaden the application boundaries of topology optimization techniques in the design of electric motors. The author believes that there may be unexpected discoveries using topology optimization techniques to design iron cores in electric motors by topology optimization method as the optimized core can modulate the flux distribution. To this end, a typical topology optimization method - the ON/OFF method, is introduced for four interesting research topics, and the research findings are elaborated.
In the first research topic, the ON/OFF method is introduced into the design of the consequent-pole permanent magnet motor. The consequent-pole permanent magnet motor is a kind of special motor, it has attracted much attention in recent years due to its advantages of saving the amount of permanent magnets. As the design findings, it has been confirmed that the cogging torque and torque ripple of the motor can be suppressed to a rather low level if the iron poles are carefully designed.
In the second research topic, the ON/OFF method is introduced into the design of permanent magnet synchronous linear motors, and it is found that the end effect, which was considered an inherent defect of permanent magnet synchronous linear motors, can be almost eliminated.
In the third research topic, the ON/OFF method co-works with the electromagnetic-structural Multiphysics simulation to reduce the stator vibration of a switched reluctance motor. It is found that opening a inner window on the rotor poles and adopting anchor-shaped rotor pole are two design techniques for reducing radial electromagnetic force and stator vibration.
In the last research topic, aiming at the problem that both topology optimization and parameter optimization are simultaneously needed in the design of permanent magnet synchronous motor, a technique of coupling topology optimization and parameter optimization is proposed. A multi-objective optimization design of a permanent magnet synchronous motor
is carried out using the proposed technique, and the numerical results show that the proposed method can be used in the early conceptual design of a permanent magnet synchronous motor.
Overall, the author has conducted a series of studies on the design of some special motors and topology optimization - a state of art structural design method, out of author’s interests and research bases, in the hope that this paper can provide a reference for researchers in academia and engineers in industry., 電気自動車や産業機械の電動化に伴い、電気モーターへの注目度が高まっている。電気エネルギーと機械エネルギーの変換装置である電気モーターの性能は、生産品の競争力を直接左右することになる。電気モーターの性能は基本的にモーターの形状で決まる。構造最適化(structuraloptimization)手法は、形状表現手法によるサイズ最適化(sizeoptimization、形状最適化(shapeoptimization、トポロジー最適化(topologyoptimizationの3種類に分類できる。トポロジー最適化法は、構造最適化の最先端手法であり、この手法では、設計領域で材料を自由に分布させることができる。サイズ設計や形状設計といった他の形状設計手法と比較して、トポロジー最適化は形状表現の自由度が最も高い手法である。トポロジー最適化は、機械構造物の設計で初めて用いられ、現在では、電磁デバイスや電気モーターの設計など、より多くの分野へ拡大されている。本研究の目的は、電気モーターの設計におけるトポロジー最適化手法のプロモーションである。最適化された回転子は磁束分布を適切に分布させることができるため、トポロジー最適化手法を用いて電気モーターの鉄心を設計することで、思わぬ発見があるか期待できる。本研究では、4つの興味深い研究課題について、トポロジー最適化手法であるON/OFF法を導入した。一つ目の研究課題では、consequentpole型永久磁石モータの設計にON/OFF方式を導入した。consequentpole型永久磁石モータは特殊なモータの一種であり、永久磁石の使用量を節約できる利点から近年注目されている。トポロジー最適化により，ローター鉄心の最適化を行ったところ、モータのコギングトルクやトルクリップルをかなり低く抑えられることが確認できた。二つ目の研究課題では，永久磁石同期リニアモータの設計にON/OFF法を導入し，永久磁石同期リニアモータの固有の欠陥とされていたendeffectをほぼ解消できることを明らかにした。三つ目の研究課題では、スイッチドリラクタンスモータのステータ振動を低減するために、ON/OFF法と電磁構造マルチフィジックスシミュレーションを結合した。その結果、ローターポールに内窓を設けることと、アンカー型ローターポールを採用することが、半径方向の電磁力とステーター振動を低減する2つの設計手法であることがわかった。四つ目の研究課題では、永久磁石同期モータの設計において、トポロジー最適化とパラメータ最適化の両方が同時に必要であるという問題に着目し、トポロジー最適化とパラメータ最適化を連動させるハイブリッド最適化手法を提案するものである。提案手法を用いて永久磁石同期モータの多目的最適化設計を行い、数値解析の結果、提案手法が永久磁石同期モータの初期概念設計に利用可能であることを示した。本論文で示したた特殊モーターの設計事例と最先端の構造設計手法であるトポロジー最適化の適用研究が研究者やエンジニアの参考になることが期待できる。},
 school = {室蘭工業大学, Muroran Institute of Technology},
 title = {Topology Optimization Based on ON/OFF Method for Synchronous Motors},
 year = {}
}