MATLAB-FEM OPTIMALIZÁCIÓS KÖRNYEZET KIALAKÍTÁSA ÉS ALKALMAZÁSA ELEKTROMOS JÁRMŰMOTOROK FEJLESZTÉSÉRE Istenes György járműmérnök Bsc, belső égésű motor mérnöki szakirány
2015. 03. 26.
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 2015. 03. 26.
1. A feladat megfogalmazása
• Feladat: villamos járműmotorok tervezése és optimalizálása
2015. 03. 26.
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 2015. 03. 26.
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
2015. 03. 26.
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
2015. 03. 26.
3. a) SZEM2 motor optimalizációja
• Alapfeladat: a SZE Járműipari Kutatóközpontja által tervezett SZEM2 motor optimalizálása • Motorjellemzők • 11 kW • Külső forgórészes PMS motor • Két réteges tekercselés
• Munkapontok
2015. 03. 26.
3. a) SZEM2 motor optimalizációja
• A két célfüggvény: • Veszteségek minimalizálása • Mágnestömeg minimalizálása
• Tervezési paraméterek Bs0
Fogrés szélessége
tooth_thick
Fogszélesség
Hs2
Horonymélység
airgap
Légrés mérete
magnet_thick
Mágnesek vastagsága
magnet_embrace Mágnesek kitöltési tényezője
2015. 03. 26.
3. a) SZEM2 motor optimalizációja • Veszteségszámítás • Vasveszteség • A vasveszteséget csak a vasmagon számítjuk a következő összefüggéssel (a meghatározásához két villamos-fordulatnyi tranziens elektromágneses analízis szükséges): 𝑝𝑐 = 𝐾ℎ 𝑓 𝐵2 + 𝐾𝑒 𝑓 𝐵 2 • Tekercsveszteség 2 𝐼 𝑙 1 𝑝𝑤 = 3 𝜌 2 𝑁 𝑑 𝜋 𝑝 2 4 • Összes veszteség 𝑝𝛴 = 𝑝𝑐 +
𝑝𝑤 𝑉
2015. 03. 26.
3. a) SZEM2 motor optimalizációja • Peremfeltételek
2015. 03. 26.
3. a) SZEM2 motor optimalizációja • Kényszerfeltételek • Egyenlőtlenségek • 𝑝𝑚𝑖𝑛 < 𝑝 < 𝑝𝑚𝑎𝑥 • 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
Tekercs rés
bi
Backiron szélessége
2015. 03. 26.
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 2015. 03. 26.
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: 𝒇𝟏 𝒙 = −𝟐𝟓 𝒙𝟏 − 𝟐 𝟐 − 𝒙𝟐 − 𝟐 𝟐 − 𝒙𝟑 − 𝟏 𝟐 − 𝒙𝟒 − 𝟒 𝟐 − 𝒙𝟓 − 𝟏 𝟐 𝒇𝟐 𝒙 = 𝟔𝒊=𝟏 𝒙𝟐𝒊 A határok: 𝟎 ≤ 𝒙𝟏 , 𝒙𝟐 , 𝒙𝟔 ≤ 𝟏𝟎 𝟏 ≤ 𝒙𝟑 , 𝒙𝟓 ≤ 𝟓 𝟎 ≤ 𝒙𝟒 ≤ 𝟔 A lineáris kényszerfeltételek: 𝒈𝟏 𝒙 = 𝒙𝟏 + 𝒙𝟐 − 𝟐 ≥ 𝟎 𝒈𝟐 𝒙 = 𝟔 − 𝒙𝟏 − 𝒙𝟐 ≥ 𝟎 𝒈𝟑 𝒙 = 𝟐 − 𝒙𝟐 + 𝒙𝟏 ≥ 𝟎 𝒈𝟒 𝒙 = 𝟐 − 𝒙𝟏 + 𝟑𝒙𝟐 ≥ 𝟎 A nemlineáris kényszerfeltételek: 𝒈𝟓 𝒙 = 𝟒 − (𝒙𝟑 −𝟑)𝟐 − 𝒙𝟒 ≥ 𝟎 𝒈𝟔 𝒙 = (𝒙𝟓 −𝟑)𝟐 + 𝒙𝟔 − 𝟒 ≥ 𝟎
2015. 03. 26.
3. a) SZEM2 motor optimalizációja • Az optimalizáció beállítása
Populáció
2015. 03. 26.
Keresztezési arány
3. a) SZEM2 motor optimalizációja • Nem dominált egyedek
2015. 03. 26.
3. a) SZEM2 motor optimalizációja • Néhány motorkonstrukció a legjobbak közül
Veszteségenergia:
89,8 %
Mágnesek tömege:
36,1 %
2015. 03. 26.
3. b) SZENERGY motor tervezése • 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
2015. 03. 26.
3. b) SZENERGY motor tervezése • Nem dominált egyedek
2015. 03. 26.
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
2015. 03. 26.
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 2015. 03. 26.
KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!
Istenes György járműmérnök Bsc, belső égésű motor mérnöki szakirány
Elérhetőség: Email:
[email protected] 2015. 03. 26.
