Эффективность электромотора увеличена за счет нового метода оптимизации формы - «Технологии»

В мире стремительно развивающихся технологий, успешная и экономичная конструкция автомобильных и промышленных компонентов имеет решающее значение. Оптимизация геометрии отдельных частей сложных машин повышает производительность и эффективность всего устройства в целом.

Для достижения этой цели, в автопромышленности и авиастроении часто полагаются на оптимизацию формы – метод, который использует моделирование для создания максимально простых и эффективных применяемых в производстве конструкций. «Более плавное вращение ротора может увеличить эффективность использования энергии двигателя и, в то же время, уменьшить нежелательные побочные явления, такие, как шум и вибрации», - говорит математик Ульрих Лангер (Ulrich Langer).

Профессор Университета Кеплера в Линце Ульрих Лангер, совместно с учеными-коллегами из Германии и Австрии, стали соавторами научной работы, опубликованной в журнале SIAM Journal on Scientific Computing, в которой раскрываются возможности улучшения производительности электродвигателей с помощью оптимизации формы. «Оптимальную геометрию мотора, которую ранее не возможно было даже представить, теперь можно определять», - говорит Лангер.

Задачи оптимизации формы, как правило, решаются путем минимизации функции затрат – математической формулы, которая предсказывает потери в соответствии с процессом. Лагнер и его коллеги применили такой метод для внутреннего постоянного магнита (IPM) бесщеточного электродвигателя, варианты которого иногда используются в стиральных машинах, вентиляторах охлаждения компьютеров и др. Ротор двигателя содержит железный сердечник и постоянные магниты. И поскольку геометрия не всех компонентов ротора может быть изменена, авторы выделили субрегион в железном сердечнике ротора, форма которого может подвергаться оптимизации. В результате была разработана конструкция, которая позволяет получить более плавное и эффективное вращение.

Предложенные учеными процедуры оптимизации вытекают из методов Лагранжа для приближения нелинейных задач, и демонстрируют эффективные и точные средства расчета производной формы от функции затрат. Этот простой и комплексный метод позволяет решать нелинейные дифференциальные уравнения с частными производными (PDE) и общими функциями затрат. В конечном счете, их оптимизационные процедуры способны показать 27-процентное снижение функции затрат IPM бесщеточных электродвигателей, что было продемонстрировано на конкретном примере научной работы.

Теперь, когда они эффективно использовали производную формы для оптимизации, исследователи надеются усовершенствовать свой метод с помощью дальнейших экспериментов. «В настоящее время мы работаем над созданием так называемой «топологической производной» для решения подобных нелинейных задач оптимизации, - говорит Питер Гангл, один из соавторов работы. - Эта величина указывает регионы, где локальное изменение материала будет приводить к уменьшению целевой функции».

Источник: connect.siam.org