Разработка и оптимизация конструкции синхронного двигателя с постоянными магнитами на базе комплексной топологической оптимизации с учетом электромагнитных, тепловых процессов и расчёта прочностных характеристик для электрического транспорта

Синхронный двигатель с постоянными магнитами имеет небольшие размеры, высокий КПД и высокую производительность. Распределение материалов (топология) в корпусе ротора СДПМ (постоянных магнитов, железо, воздух и т.д.) определяет характеристики электрической машины. На сегодняшний день, топологическую оптимизацию используют для сохранения прочностных параметров конструкции при уменьшении массы при использовании метода конечных элементов. Предлагаемый метод позволяет перенести топологическую оптимизацию на электромагнитные и тепловые процессы в СДПМ с целью повышения энергетических характеристик и надежности электрической машины при заданных массо-габаритных показателях. В настоящее время отсутствуют работы по комплексной топологической оптимизации СДПМ. Алгоритм оптимизации конструкции СДПМ с учетом электромагнитных, тепловых процессов и прочностного расчета позволит проектировать конструкцию СДПМ с высокими энергетическими характеристиками для подготовки эскизной и рабочей конструкторской документации, и заключается в изменении конструкции ротора и статора с целью повышения вращающего момента, при сохранении (или уменьшения) объема ПМ, тепловых и прочностных параметров. Рабочие характеристики, необходимые для электродвигателей, включают высокий КПД, высокий крутящий момент, мощность на единицу объема, хороший динамический отклик, простую конструкцию и высокую надежность. Достижение этих высоких требований к силовым установкам электротранспорта основано на использовании различных конструкций и материалов. На основе параметрического анализа размеров паза статора и ротора будет изучено их влияние на крутящий момент, КПД и коэффициент мощности. Коэффициент мощности и крутящий момент будут выбраны в качестве критериев оптимизации с равными весами, присвоенными каждой из них. Генетический алгоритм и другие методы оптимизации будут изучены для оптимизации целевой функции. Современные СДПМ для электротранспорта используют постоянные магниты из редкоземельных элементов, в то же время существует необходимость разработки различных вариантов электродвигателей, не содержащих редкоземельные элементы, для снижения их стоимости и улучшения рабочих характеристик. Обзор научно-технической литературы в этой области, показывает растущий интерес производителей электротранспорта к данным типам электродвигателей из-за высокой стоимости и проблем с поставками редкоземельных постоянных магнитов. Результаты исследований показывают, что электродвигатели, не содержащие редкоземельные элементы, могут достигать аналогичных характеристик по сравнению с современными электродвигателями на основе редкоземельных элементов. Кроме того данные электродвигатели имеют более низкую стоимость, лучшую надежность, более высокие рабочие температуры, отсутствует проблема размагничивания, более широкий диапазон постоянной мощности, что является важной характеристикой для транспортных средств. Планируется проектирование и изготовление экспериментальных образцов СДПМ с встроенными ферритовыми магнитами. Для достижения лучших рабочих характеристик предлагается использовать топологическую оптимизацию. Топологическая оптимизация исследует оптимальное распределение одного или нескольких материалов в пределах определенного проектного пространства. По сравнению с обычными методами оптимизации формы, он предлагает дополнительную гибкость в оптимизации геометрии магнитных компонентов для достижения желаемых характеристик. Таким образом, топологическая оптимизация может давать уникальные формы, которые обычно невозможно реализовать с помощью обычного подхода к оптимизации конструктивных параметров.