Оптимізація вихідних параметрів електромеханічних перетворювачів енергії з масивним ротором в Ansys RMxprt

Автор(и)

  • Владислав Плюгін Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова
  • Олександр Петренко Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова
  • Євген Цегельник Харківський національний університет міського господарства імені О.М. Бекетова
  • Олексій Дунєв Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
  • Андрій Єгоров Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
  • Ілля Худяков Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова

DOI:

https://doi.org/10.33042/2079-424X.2022.61.3.01

Ключові слова:

електромеханічний перетворювач енергії, твердий ротор, Ansys, Maxwell, Optimetrics, оптимізація, функція витрат

Анотація

Стаття присвячена знаходженню заданого значення обертального моменту електромеханічного перетворювача енергії з масивним ротором шляхом вирішення оптимізаційної задачі в модулі Optimetrics  програми Ansys Maxwell. Особливістю матеріалу, описаному в статті, є сумісне вирішення оптимізації з використанням алгоритму Sequential Nonlinear Programming (Gradient) та одночасним вирішенням польової задачі методом скінченних елементів для визначення обертального моменту на кожному кроці ітерації. В роботі докладно описано постановку завдань досліджень, базову модель електромеханічного перетворювача енергії з масивним ротором в Ansys Maxwell 2D, налаштування модулю Optimetrics, завдання цільової функції та варійованих параметрів, завдання конвергенції щодо величини моменту обертання та виведення і аналіз отриманих в ході оптимізації результатів. Прийоми, які описані у цій статті, можуть бути застосовані до будь-яких інших типів електричних машин.

Біографії авторів

Владислав Плюгін, Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова

доктор технічних наук, професор, кафедра систем електропостачання та споживання міст

Олександр Петренко, Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова

доктор технічних наук, доцент, кафедра електричного транспорту

Євген Цегельник, Харківський національний університет міського господарства імені О.М. Бекетова

кандидат технічних наук, старший дослідник, кафедра автоматизації та комп’ютерно-інтегрованих технологій

Олексій Дунєв, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"

кандидат технічних наук, доцент, кафедра електричних машин

Андрій Єгоров, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"

кандидат технічних наук, доцент, кафедра електричних машин

Ілля Худяков, Харківський національний університет міського господарства імені О. М. Бекетова

аспірант, кафедра систем електропостачання та споживання міст

Посилання

Pliuhin, V., Sukhonos, M., Petrenko, A., & Ehorov, A. (2017). Implementation of genetic algorithm in electric machines optimization using Netbeans IDE and Java. Teka Komisji Motoryzacji i Energetyki Rolnictwa, 17(1), 5–14.

Pliuhin, V., Pan, M., Yesina, V., & Sukhonos, M. (2018). Using azure maching learning cloud technology for electric machines optimization. In 2018 International Scientific-Practical Conference Problems of Infocommunications. Science and Technology (PIC S&T) (pp. 55–58). IEEE. https://doi.org/10.1109/INFOCOMMST.2018.8632093

Ma, B., Zheng, J., Lei, G., Zhu, J., Jin, P., & Guo, Y. (2019). Topology optimization of ferromagnetic components in electrical machines. IEEE Transactions on Energy Conversion, 35(2), 786–798. https://doi.org/10.1109/TEC.2019.2960519

Sharifi, T., & Mirsalim, M. (2021). Optimal design of a synchronous reluctance motor using biogeography-based optimization. In 2021 29th Iranian Conference on Electrical Engineering (ICEE) (pp. 209–213). IEEE. https://doi.org/10.1109/ICEE52715.2021.9544319

Sadeghi, S., Hassanpour, A., & Saeedifard, M. (2022). Multi-objective design optimization of a dualsided permanent magnet linear motor for high-speed electric trains. In IECON 2022–48th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (pp. 1-5). IEEE. https://doi.org/10.1109/IECON49645.2022.9968732

Istenes, G., & Horváth, Z. (2022). Multi-objective optimization of electric motors with a kriging surrogate model. In 2022 22nd International Symposium on Electrical Apparatus and Technologies (SIELA) (pp. 1–4). IEEE. https://doi.org/10.1109/SIELA54794.2022.9845694

Cosdu, M., Hacan, A., & Tekgun, B. (2020). Design optimization of an outer rotor PMSM for a drive cycle using an improved mode algorithm for a lightweight racing vehicle. In 2020 6th International Conference on Electric Power and Energy Conversion Systems (EPECS) (pp. 58–63). IEEE. https://doi.org/10.1109/EPECS48981.2020.9304956

COMSOL Multiphysics. https://comsol.com/

JMAG-Designer. https://jmag-international.com/

ANSYS Inc. (2012). ANSYS Maxwell 3D v.15 – Electromagnetic and Electromechanical Analysis: User’s Guide. ANSYS Inc.

Martyanov, A.S., & Neustroyev, N.I. (2014). AN-SYS Maxwell Software for electromagnetic field calculations. Eastern European Scientific Journal, 5, 206–210. https://doi.org/10.12851/EESJ201410C05ART03

Bal, S., Demirdelen, T., & Tümay, M. (2019). Threephase distribution transformer modeling and electromagnetic transient analysis using ANSYS Maxwell. In 2019 3rd International Symposium on Multidisciplinary Studies and Innovative Technologies (ISMSIT) (pp. 1–4). IEEE. https://doi.org/10.1109/ISMSIT.2019.8932953

Kassa, M.T., & Changqing, D. (2021). Design optimazation and simulation of PMSM based on Maxwell and Twin Builder for EVs. In 2021 8th International Conference on Electrical and Electronics Engineering (ICEEE) (pp. 99–103). IEEE. https://doi.org/10.1109/ICEEE52452.2021.9415922

Fiala, V., Dvořák, P., & Pechánek, R. (2022). Practical approach to multi-objective optimization in ANSYS

softwares. In 2022 20th International Conference on Mechatronics-Mechatronika (ME) (pp. 1–6). IEEE. https://doi.org/10.1109/ME54704.2022.9983056

Schwarz, P., & Moeckel, A. (2019). Electric machine design automation with Python and Ansys Maxwell. In IKMT 2019-Innovative small Drives and Micro-Motor Systems; 12. ETG/GMM-Symposium (pp. 1–7). VDE.

Xia, Z., Qahouq, J., & Kotru, S. (2021). 3-D physical model for on-chip power inductor design with evaluation of airgap variation effect. In 2021 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC) (pp. 1725–1729). IEEE. https://doi.org/10.1109/APEC42165.2021.9487062

Shao, J., Wen, Y., & Wang, G. (2020). Magnetic field analysis of linear motor for high-speed maglev train. In 2020 IEEE MTT-S International Conference on Numerical Electromagnetic and Multiphysics Modeling and Optimization (NEMO) (pp. 1-4). IEEE. https://doi.org/10.1109/NEMO49486.2020.9343409

Shao, H., Zhong, C., Habetler, T.G., & Li, S. (2019). Multi-objective design optimization of synchronous reluctance machines based on the analytical model and the evolutionary algorithms. In 2019 North American Power Symposium (NAPS) (pp. 1–6). IEEE. https://doi.org/10.1109/NAPS46351.2019.9000252

Dal, Ö., Yıldırım, M., & Kürüm, H. (2019). Optimization of permanent magnet synchronous motor design by using PSO. In 2019 4th International Conference on Power Electronics and their Applications (ICPEA) (pp. 1–6). IEEE. https://doi.org/10.1109/ICPEA1.2019.8911192

Jin, Y., Wang, A., Wang, T., Sun, J., & Wang, M. (2018). Optimal design of loss of permanent magnet synchronous motor based on particle swarm optimization. In 2018 IEEE Student Conference on Electric Machines and Systems (pp. 1–4). IEEE. https://doi.org/10.1109/SCEMS.2018.8624873

Marwaha, S. (2021). Mitigation of cogging torque for the optimal design of BLDC motor. In 2021 IEEE 2nd International Conference on Electrical Power and Energy Systems (ICEPES) (pp. 1–5). IEEE. https://doi.org/10.1109/ICEPES52894.2021.9699544

Rastogi, S., Kumar, R., & Singh, S. (2016). Design, analysis and optimization of permanent magnet synchronous generator. In 2016 IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES) (pp. 1–5). IEEE. https://doi.org/10.1109/PEDES.2016.7914417

Liu, H., Brokaw, W., Harms, J., Wu, W., Epstein, M., Chalfant, T., … & Wu, T. (2012). Design and optimization of permanent magnet switch reluctance machine for renewable energy application. In 2012 XXth International Conference on Electrical Machines (pp. 612–617). IEEE. https://doi.org/10.1109/ICElMach.2012.6349933

Mariam, M.G., Khang, L.T., Aliza, C.A., & Kaiji, S. (2015). Force optimization of a linear motion type electrostatic microactuator using finite element method (FEM) analysis for high thrust performances. In 2015 10th Asian Control Conference (ASCC) (pp. 1–4). IEEE. https://doi.org/10.1109/ASCC.2015.7244870

Borchardt, N., & Kasper, R. (2017). Analytical magnetic circuit design optimization of electrical machines with air gap winding using a Halbach array. In 2017 IEEE International Electric Machines and Drives Conference (IEMDC) (pp. 1–7). IEEE. https://doi.org/10.1109/IEMDC.2017.8001995

Lolova, I., Barta, J., Bramerdorfer, G., & Silber, S. (2020). Topology optimization of line-start synchronous reluctance machine. In 2020 19th International Conference on Mechatronics-Mechatronika (ME) (pp. 1–7). IEEE. https://doi.org/10.1109/ME49197.2020.9286643

Ropoteanu, C., Svasta, P., & Buşu, I. (2015). Highfrequency power loss investigation of a planar ferrite core transformer. In 2015 IEEE 21st International Symposium for Design and Technology in Electronic Packaging (pp. 61–64). IEEE. https://doi.org/10.1109/SIITME.2015.7342296

Sorn, D., & Chen, Y. (2018). Design optimization of permanent magnet brushless direct current motor using radial basis function neural network. In 2018 IEEE 7th Data Driven Control and Learning Systems Conference (pp. 38–43). IEEE. https://doi.org/10.1109/DDCLS.2018.8515983

Zhang, X., Zhang, Y., Zhang, Z., & Li, M. (2020). Mode conversion and structure optimization of quadrature coils for electric vehicles wireless power transfer. IEEE Transactions on Energy Conversion, 35(2), 575–590. https://doi.org/10.1109/TEC.2020.2972584

Pliuhin, V., Plankovskyy, S., Zablodskiy, M., Biletskyi, I., Tsegelnyk, Y., & Kombarov, V. (2023). Novel features of special purpose induction electrical machines object-oriented design. In D.D. Cioboată (ed.) International Conference on Reliable Systems Engineering (ICoRSE) - 2022. LNNS, vol. 534 (pp 265–283). Springer https://doi.org/10.1007/978-3-031-15944-2_25

Pliuhin, V., Zablodskiy, M., Sukhonos, M., Tsegelnyk, Y., Piddubna, L. (2023). Determination of massive rotary electric machines parameters in ANSYS RMxprt and ANSYS Maxwell. In O. Arsenyeva, T. Romanova, M. Sukhonos, Y. Tsegelnyk (eds.) Smart Technologies in Urban Engineering. LNNS, vol. 536 (pp 189–201). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-031-20141-7_18

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-12-30

Як цитувати

Плюгін, В., Петренко, О., Цегельник, Є., Дунєв, О., Єгоров, А., & Худяков, І. (2022). Оптимізація вихідних параметрів електромеханічних перетворювачів енергії з масивним ротором в Ansys RMxprt. Світлотехніка та Електроенергетика , 61(3), 74–85. https://doi.org/10.33042/2079-424X.2022.61.3.01

Номер

Том 61 № 3 (2022): Світлотехніка та електроенергетика

Розділ

Електроенергетика

Ліцензія

Авторське право (c) 2023 Світлотехніка та Електроенергетика

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

   Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

  • Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
  • Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
  • Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).