MATLAB-FEM OPTIMALIZÁCIÓS KÖRNYEZET KIALAKÍTÁSA ÉS ALKALMAZÁSA ELEKTROMOS JÁRMŰMOTOROK FEJLESZTÉSÉRE Istenes György járműmérnök Bsc, belső égésű motor mérnöki szakirány
Tartalom 1. A feladat megfogalmazása 2. Az integrált szimuláció - optimalizációs környezet bemutatása a) A végeselem-modell felépítése és validációja b) Az optimalizációs környezet felépítése és beállítása 3. Az integrált szimuláció optimalizációs keretprogram alkalmazásai a) SZEM2 motor optimalizációja b) SZENERGY motor tervezése 4. Összegzés, következtetések
1. A feladat megfogalmazása Feladat: villamos járműmotorok tervezése és optimalizálása
2. a) A végeselem-modell felépítése és validációja A modell geometriai felépítése Anyagjellemzők megválasztása Elektrodinamikai paraméterek beállítása Peremfeltételek meghatározása Megfelelő végeselem háló elkészítése A modell parametrizálása Az eredmények kiértékeléséhez szükséges egyéb beállítások elvégzése
2. a) A végeselem-modell felépítése és validációja A végeselem módszer validálása: Study of a Permanent Magnet Motor with MAXWELL 2D: Example of the 2004 PriusIPM Motor Evaluation of 2004 Toyota Prius Hybrid Electric Drive System Interim Report
2. b) Az optimalizációs környezet felépítése és beállítása Cél: megtalálni azt a p-t, ahol a célfüggvények értékei optimálisak A célértékek ANSYS Maxwell programban létrehozott végéselemmodell segítségével vannak meghatározva
Alapfeladat: a SZE Járműipari Kutatóközpontja által tervezett SZEM2 motor optimalizálása Motorjellemzők 11 kw Külső forgórészes PMS motor Két réteges tekercselés Munkapontok 3. a) SZEM2 motor optimalizációja
A két célfüggvény: Veszteségek minimalizálása Mágnestömeg minimalizálása Tervezési paraméterek 3. a) SZEM2 motor optimalizációja Bs0 tooth_thick Hs2 airgap Fogrés szélessége Fogszélesség Horonymélység Légrés mérete magnet_thick Mágnesek vastagsága magnet_embrace Mágnesek kitöltési tényezője
Veszteségszámítás Vasveszteség A vasveszteséget csak a vasmagon számítjuk a következő összefüggéssel (a meghatározásához két villamos-fordulatnyi tranziens elektromágneses analízis szükséges): p c = K h f B 2 + K e f B 2 Tekercsveszteség Összes veszteség p w = 3 I 2 3. a) SZEM2 motor optimalizációja 2 ρ l d 2 π 4 N 1 p p Σ = p c + V p w
3. a) SZEM2 motor optimalizációja Peremfeltételek
3. a) SZEM2 motor optimalizációja Kényszerfeltételek Egyenlőtlenségek p min < p < p max bi 1mm Bs2 1mm s 0,5mm s 0,8 Hs2 Bs1 Bs0 Implicit paraméterek Hs0 Fognyak szélessége Bs1 Horony külső szélessége Bs2 Horony belső szélessége s bi Tekercs rés Backiron szélessége
3. a) SZEM2 motor optimalizációja A fázisáram a bemenő paraméter, de a munkapontok fordulatszámnyomatékidősúlyozás pontokat adnak meg A belső iteráció számítja ki a munkaponthoz szükséges fázisáramot, ehhez elegendő egyhatod villamos-fordulat is
3. a) SZEM2 motor optimalizációja Az optimalizáció paraméterei Egy egyed 6 perc Futtatásra szánt idő 40 óra Maximum 400 paraméterkombináció Az Osyczka és Kundu függvény A célfüggvények: f 1 x = 25 x 1 2 2 x 2 2 2 x 3 1 2 x 4 4 2 x 5 1 2 2 f 2 x = x i 6 i=1 A határok: 0 x 1, x 2, x 6 10 1 x 3, x 5 5 0 x 4 6 A lineáris kényszerfeltételek: g 1 x = x 1 + x 2 2 0 g 2 x = 6 x 1 x 2 0 g 3 x = 2 x 2 + x 1 0 g 4 x = 2 x 1 + 3x 2 0 A nemlineáris kényszerfeltételek: g 5 x = 4 (x 3 3) 2 x 4 0 g 6 x = (x 5 3) 2 + x 6 4 0
3. a) SZEM2 motor optimalizációja Az optimalizáció beállítása Populáció Keresztezési arány
3. a) SZEM2 motor optimalizációja Nem dominált egyedek
Néhány motorkonstrukció a legjobbak közül 3. a) SZEM2 motor optimalizációja Veszteségenergia: 89,8 % Mágnesek tömege: 36,1 %
A SZEnergy csapat 2016-os versenyautó motorja 3 célfüggvény: a veszteségenergia, a tömeg és a nyomatéklüktetés minimalizálása 13 geometriai tervezési változó Geometriai és munkapontokból adódó kényszerfeltételek 20 generáció, 80-as populáció, 1680 kiértékelés 3. b) SZENERGY motor tervezése
3. b) SZENERGY motor tervezése Nem dominált egyedek
3. b) SZENERGY motor tervezése Az egyes szempontokból optimális modellek Veszteség szempontjából optimális egyed Nyomatéklüktetés szempontjából optimális egyed Tömeg szempontjából optimális egyed Nem dominált egyedek
4. Összegzés, következtetések Kifejlesztettem egy FEM optimalizáció szoftver keretrendszert villanymotorok optimalizációjára FEM: validált szimuláció alapján ANSYS Maxwell programban Optimalizáció: MATLAB több célfüggvényű genetikus optimalizáló Alkalmaztam PMS motorok fejlesztésére és tervezésére Ipari felhasználásra alkalmas Általánosítási lehetőségek könnyen átvezethetőek Könnyen változtatható a célfüggvények és a tervezési változók száma A saját kényszerfeltétel-ellenőrző kód lehetővé teszi a lineáris én nemlineáris kényszerfeltételek alkalmazása mellett olyan kényszerfeltételek alkalmazását, aminek a leellenőrzéséhez belső iteráció vagy végeselemes szimuláció szükséges. A különböző modulok külön fejleszthetőek vagy cserélhetőek akár szabad kódokra is
KÖSZÖNÖM A FIGYELMET! Istenes György járműmérnök Bsc, belső égésű motor mérnöki szakirány Elérhetőség: Email: gyur187@gmail.com