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Development of High-speed and High-accuracy Design Optimization Method with Precise Behavior of Space-time Electromagnetic Field in Electrical Machines

Research Project

Project/Area Number 19K04357
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 21010:Power engineering-related
Research InstitutionHosei University

Principal Investigator

Okamoto Yoshifumi  法政大学, 理工学部, 教授 (40415112)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 若尾 真治  早稲田大学, 理工学術院, 教授 (70257210)
Project Period (FY) 2019-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2019: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Keywords電磁界数値解析 / トポロジー最適化 / 磁気特性測定 / 深層学習 / 感度解析 / 随伴変数法 / 永久磁石同期電動機 / 電気機器工学 / 設計最適化 / 時間領域随伴変数法 / 三相交流回路 / 磁気ヒステリシス特性 / 波形制御 / 回路連成 / 鉄損 / 有限要素法 / 同期電動機 / 磁界解析
Outline of Research at the Start

地球規模で進行する温暖化を抑制するため,電気機器の高効率化という観点から,低炭素化社会の実現へ貢献を行う.永久磁石同期電動機等に代表される電気機器の特性は,鉄芯・永久磁石・フラックスバリアの各種構造や駆動条件等,多岐にわたる.本研究では,目的関数の勾配に基づくトポロジー最適化手法を設計現場に耐えうる手法へ拡張し,永久磁石同期電動機の新構造を獲得できる自動設計手法の確立を目的とする.

Outline of Final Research Achievements

Because the half of energy in Japan is consumed by the motor, the research target was designated to the first topic “Development of innovative design optimization method using the numerical electromagnetic field analysis coupled with the topology optimization” and the second one “The elapsed time reduction for the measurement of the magnetic property which is required on the design optimization method”. In the first topic, the sensitivity calculation method, with the consideration of strongly coupled analysis between electromagnetic field and three-phase electric circuit, the rotor rotation, the magnetic nonlinearity of magnetic core, and steady state, was proposed. Furthermore, it was successfully applied to the topology optimization. In the second topic, the elapsed time reduction of being sinusoidal wave form derived from B-coil was achieved.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

三相交流回路で駆動する永久磁石同期電動機の設計最適化において,回転子の回転と磁界・回路双方の動特性を考慮して得られた感度を使用した手法は世界初の技術である.また,実際の時空間現象を緻密に考慮できるため,設計現場における高精度設計に役立つ技術となり得る.また,モータ鉄芯の磁気特性測定では,波形制御に相応の反復回数・時間が必要であったが,Deep Neural Networkの導入により,大幅に高速化することができた.設計最適化への導入だけではなく,新たな材料開発のためにも大いに役立つ技術であると考える.

Report

(4 results)
  • 2021 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (24 results)

All 2022 2021 2020 2019

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (21 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results)

  • [Journal Article] Multi-material Structural Optimization of IPM Motor Using Phased Application of Density and Level-set Method2021

    • Author(s)
      山下祐輝,子田 陸,片山一哉,岡本吉史
    • Journal Title

      IEEJ Transactions on Industry Applications

      Volume: 141 Issue: 9 Pages: 729-737

    • DOI

      10.1541/ieejias.141.729

    • NAID

      130008082390

    • ISSN
      0913-6339, 1348-8163
    • Year and Date
      2021-09-01
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Nondestructive Estimation of Magnetization Distribution in Permanent Magnet Using Quasi-Newton Method Based on 2-D Fourier Series Expansion2020

    • Author(s)
      Narichika Nakamura, Yoshifumi Okamoto, Kenta Osanai, Satoshi Doi, Tetsuya Aoki, and Keichi Okazaki
    • Journal Title

      IEEE Transactions on Magnetics

      Volume: 56 Issue: 1 Pages: 6700305-6700305

    • DOI

      10.1109/tmag.2019.2948854

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Design Optimization of Synchronous Reluctance Motor for Reducing Iron Loss and Improving Torque Characteristics Using Topology Optimization Based on the Level-Set Method2020

    • Author(s)
      Yuki Yamashita and Yoshifumi Okamoto
    • Journal Title

      IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS

      Volume: 56 Issue: 3 Pages: 7510704-7510704

    • DOI

      10.1109/tmag.2019.2954468

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      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Sensitivity-based Topology Optimization of Induction Motor in Time Domain with Magnetic Nonlinearity2022

    • Author(s)
      Masaki Yamano, Kazuya Katayama, and Yoshifumi Okamoto
    • Organizer
      the 23rd Conference on the Computation of Electromagnetic Fields (COMPUMAG 2021)
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      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Sensitivity Analysis Using Time Domain Adjoint Variable Method for Topology Optimization of IPM Motor Supported by Finite Element Analysis Coupled with Three-phase Voltage Source2022

    • Author(s)
      Kazuya Katayama, Masaki Yamano, and Yoshifumi Okamoto
    • Organizer
      the 23rd Conference on the Computation of Electromagnetic Fields (COMPUMAG 2021)
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      2021 Annual Research Report
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  • [Presentation] レベルセット法によるかご型誘導電動機の時間領域マルチマテリアルトポロジー最適化2022

    • Author(s)
      山野眞輝,片山一哉,岡本吉史
    • Organizer
      電気学会 静止器・回転機合同研究会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 電磁界・三相交流回路強連成解析と数理計画法の併用による時間領域特性を考慮したIPMSMのトポロジー最適化2022

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      片山一哉,山野眞輝,岡本吉史
    • Organizer
      電気学会 静止器・回転機合同研究会
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  • [Presentation] 実数値遺伝的アルゴリズムによるリラクタンスモータの磁界・構造連携トポロジー最適化2022

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      子田 陸,岡本吉史
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      令和4年電気学会全国大会
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  • [Presentation] Deep Neural Networkを用いた初期波形推定による単板磁気試験器における磁束波形制御の高速化に関する検討2022

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      角 和樹,岡本吉史, 藤原耕二,佐々木 秀徳
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      令和4年電気学会全国大会
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      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] PDEフィルタを援用したトポロジー最適化によるアウターローター型SPMモーターの構造複雑性低減に関する検討2021

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      荒瀬浩平,子田陸,岡本吉史
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      電気学会 静止器・回転機合同研究会
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  • [Presentation] 最急降下法とレベルセット法を併用したトポロジー最適化手法によるIPMモータのマルチマテリアル構造最適化2021

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      山下祐輝,子田 陸,片山一哉,岡本吉史
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      電気学会 静止器・回転機合同研究会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 磁気非線形性を考慮した時間領域随伴変数法による誘導電動機の感度解析に関する検討2021

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      山野眞輝,山下祐輝,片山一哉,岡本吉史
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      電気学会 全国大会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 実数値遺伝的アルゴリズムによるアウターロータ型同期電動機の鉄芯・永久磁石・磁化角の設計最適化2021

    • Author(s)
      子田 陸,荒瀬浩平,岡本吉史
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      電気学会 全国大会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] LabVIEWによる波形自動制御機構を実装した単板磁気特性試験法に基づく磁気測定システムの開発に関する検討2021

    • Author(s)
      風見浩之,大倉寛ノ介,角 和樹,岡本吉史
    • Organizer
      電気学会 全国大会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 時間領域随伴変数法を用いた磁界・電気回路強連成解析における設計感度解析に関する検討2021

    • Author(s)
      片山一哉,山下祐輝,山野眞輝,岡本吉史
    • Organizer
      電気学会 全国大会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] フーリエ級数展開を援用したマルチマテリアルトポロジー最適化手法の収束特性改善2020

    • Author(s)
      子田 陸,山下祐輝,岡本吉史
    • Organizer
      電気学会 静止器・回転機合同研究会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 誤差補正による時間領域渦電流解析から得られる電磁力の計算精度改善に関する検討2020

    • Author(s)
      飯野 智也,岡本 吉史,阿波根明,木田佳孝,仙波和樹,山田隆
    • Organizer
      電気学会 静止器・回転機合同研究会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 二段階誤差補正による有限要素法に基づく電磁力解析の計算精度改善に関する検討2020

    • Author(s)
      飯野智也,岡本吉史,阿波根明,木田佳孝,仙波和樹,山田隆
    • Organizer
      電気学会静止器・回転機合同研究会
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      2019 Research-status Report
  • [Presentation] 永久磁石磁化方向の変化を考慮したマルチマテリアルトポロジー最適化手法によるIPMモータの高トルク・低鉄損構造の導出2020

    • Author(s)
      山下祐輝,荒瀬浩平,岡本吉史
    • Organizer
      電気学会静止器・回転機合同研究会
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      2019 Research-status Report
  • [Presentation] 感度解析に基づくトポロジー最適化手法による同期電動機の高トルク・低鉄損化に関する検討2019

    • Author(s)
      山下祐輝,岡本吉史
    • Organizer
      電気学会静止器・回転機合同研究会
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      2019 Research-status Report
  • [Presentation] レベルセット法に基づく複数材料の構造変化を考慮した電磁機器トポロジー最適化手法の検討 -磁石磁化方向の設計パラメータへの導入―2019

    • Author(s)
      荒瀬浩平,岡本吉史,若尾真治
    • Organizer
      電気学会静止器・回転機合同研究会
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      2019 Research-status Report
  • [Presentation] Multi-objective Topology Optimization of DC-biased Reactor in Steady-state Time-domain with Magnetic Nonlinearity2019

    • Author(s)
      Hiroshi Masuda, Kohei Arase, Yoshifumi Okamoto, Shinji Wakao
    • Organizer
      the 22nd International Conference on the Computation of Electromagnetic Fields
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      2019 Research-status Report
  • [Presentation] Design Optimization of Rotor Structure in Synchronous Reluctance Motor to Improve Torque Characteristics in Several Driving Conditions Using Topology Optimization2019

    • Author(s)
      Yoshifumi Okamoto, Yuki Yamashita, Reiya Suzuki, Hiroyuki Kaimori, Shinji Wakao
    • Organizer
      the 22nd International Conference on the Computation of Electromagnetic Fields
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      2019 Research-status Report
  • [Presentation] Development of Encoder-Decoder Predicting Search Process of Level-set Method in Magnetic Circuit Design2019

    • Author(s)
      Ryota Kawamata, Shinji Wakao, Noboru Murata, Yoshifumi Okamoto
    • Organizer
      the 22nd International Conference on the Computation of Electromagnetic Fields
    • Related Report
      2019 Research-status Report

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Published: 2019-04-18   Modified: 2023-01-30  

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