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

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-79-00134

НазваниеРазработка 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

Руководитель Петров Тимур Игоревич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский государственный энергетический университет" , Республика Татарстан (Татарстан)

Конкурс №70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-404 - Проблемы создания энергетического оборудования

Ключевые слова Комплексная топологическая оптимизация, генетический алгоритм, топология ротора и статора, вращающий момент, постоянные магниты, синхронный двигатель

Код ГРНТИ44.01.77

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Петров Т.И., Басенко В.Р. Development and Creation of an Experimental Bench for Checking the Results of Topological Optimization IEEE Xplore, 2022 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), Magnitogorsk, Russian Federation, 2022, pp. 430-438, doi: 10.1109/UralCon54942.2022.9906715. (год публикации - 2022)
10.1109/UralCon54942.2022.9906715

2. Петров Т.И., Басенко В.Р. СТЕНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТА И ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ Материалы XVII Всероссийской открытой молодежной научно-практической конференции, Материалы XVII Всероссийской открытой молодежной научно-практической конференции. Редколлегия: А.Г. Арзамасова (отв. редактор). Казань, 2022 (год публикации - 2022)

3. Петров Т.И., Сафин А.Р., Behera R.K. Особенности проектирования синхронных двигателей с постоянными магнитами при помощи комплексной топологической оптимизации ВЕСТНИК КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА, Т. 15. №1 (57). С. 58-67 (год публикации - 2023)

4. Петров Т.И. Determination of Initial Conditions for Topological Optimization IEEE Xplore, 2023 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), Magnitogorsk, Russian Federation, 2023, pp. 60-64, doi: 10.1109/UralCon59258.2023.10291076. (год публикации - 2023)
10.1109/UralCon59258.2023.10291076

5. Петров Т.И. Topological optimization of the design of a permanent magnet synchronous motor using a genetic algorithm ITM Web Conf., 59, ITM Web Conf., 59 (2024) 02010 (год публикации - 2024)
10.1051/itmconf/20245902010

6. Ибатуллин Э.Э., Петров Т.И. ТЕНДЕНЦИИ В ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИИ СТАТОРА СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ВЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ Материалы Международной молодежной научно-практической конференции, посвященной 55-летию КГЭУ. Казань, 2024, ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ВЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ Материалы Международной молодежной научно-практической конференции, посвященной 55-летию КГЭУ. Казань, 2024 (год публикации - 2024)

7. Петров Т.И. МОДЕРНИЗАЦИЯ СТЕНДА ИЗМЕРЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТА СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ВЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ Материалы Международной молодежной научно-практической конференции, посвященной 55-летию КГЭУ. Казань, 2024, Диспетчеризация и управление в электроэнергетике : Материалы Международной молодежной научно-практической конференции, посвященной 55-летию КГЭУ, Казань: Казанский государственный энергетический университет, 2024. – С. 394-396. (год публикации - 2024)

8. Петров Т.И., Басенко В.Р. УПРОЩЕНИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ BM1418 ZXF ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД В ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ КОМПЛЕКСЕ И ЖИЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОМ ХОЗЯЙСТВЕ Материалы VIII Национальной научно-практической конференции. Казань, 2023, Материалы VIII Национальной научно-практической конференции, Казань: Казанский государственный энергетический университет, 2023. – С. 229-231. (год публикации - 2023)

9. Сафин А.Р., Петров Т.И., Басенко В.Р. ТОПОЛОГИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ материалы II Всероссийской конференции по электрическим машинам в рамках Международной научно-практической конференции. Уфа, 2023, Электротехнические комплексы и системы : материалы II Всероссийской конференции по электрическим машинам – Уфа: Общество с ограниченной ответственностью "Аэтерна", 2023. – С. 57-64. (год публикации - 2023)

10. Петров Т.И. ПРОВЕДЕНИЕ ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЭНЕРГЕТИКА И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ: ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Сборник материалов VIII Международной научно-практической конференции в рамках Десятилетия науки и технологий в Российской Федерации. Кемерово, 2024, ЭНЕРГЕТИКА И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ: ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА Сборник материалов VIII Международной научно-практической конференции в рамках Десятилетия науки и технологий в Российской Федерации. Кемерово, 2024 (год публикации - 2024)

Публикации