超高速数値解析＆位相最適化が可能にする次世代モータ開発

Research Project

Project/Area Number	23K03633
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 18030:Design engineering-related
Research Institution	Muroran Institute of Technology
Principal Investigator	渡邊浩太室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 教授 (20322828)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2027-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000) Fiscal Year 2026: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000) Fiscal Year 2025: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000) Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000) Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Keywords	マルチフィジックス / 最適化 / モータ / 高速数値解析 / 位相最適化
Outline of Research at the Start	次世代EVや電動航空機には、高出力・高信頼性・高効率・小型軽量なモータが求められる。現状では高価な永久磁石を用いたPMモータが使われているが、レアアースの供給不安や熱に弱い特性など問題点を抱えている。さらに多岐にわたる運転条件での高効率化、信頼性の向上が重要であり、これらを同時に満足する設計が難しい。そこで本研究では，次世代モータ開発における、位相最適化に特化した高速数値解析手法の実現を目指す。
Outline of Annual Research Achievements	今年度は研究開始の初年度であり，主に最新の研究動向の情報収集を行った。電気学会の研究会・全国大会，国際会議等でモータの設計や数値解析の高速化にかかわる研究動向を調査した。さらに，モータの統合的な設計技術の確立に向けたマルチフィジックスの解析プログラムの開発およびこれと組み合わせた最適設計の手法の確立に向けた研究を行った。具体的にはトルク計算に必要な電磁界解析，損失解析に必要な渦電流場解析，電磁界解析と電源回路との連成解析，風損や冷却性能評価に必要な流体解析と熱伝導解析のプログラム開発および統合を行った。また，これらの解析を高速に実行するための過渡解析の収束性改善手法の開発等も合わせて実施した。さらに実際に最適化を実施して，磁石の熱減磁を考慮したトルク特性の改善したトポロジー最適形状を得られた。この成果は電気学会の支部大会および研究会で発表した。最適化に関する研究も行い，トポロジー最適化における形状表現手法の見直しや，遺伝的アルゴリズム，免疫型アルゴリズム，CMA-ESなどの他の最適化アルゴリズムの比較検討を行った。これらの成果は電気学会のC部門大会等で発表した。発表を通して，主に熱解析における材料設定の見直しが必要であることが判明し，これらの改善に取り組んでいるところである。また，形状によっては過渡解析の収束性が悪化することがあり，その際の対策も検討している。さらに回路連成解析における連立方程式の反復解法の収束性悪化とデフレーション法の有効性を確認できたが，改善効果が弱かったため，引き続き研究を継続する予定である。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason モータの設計開発に必要な電磁界，熱流体，回路連成解析のプログラムが年度内に完成し，最適化を実行できた。これは当初の計画通りである。また，デフレーション法などの解析高速化手法に関しても効果を確認できた。本研究課題のために購入した計算サーバも問題なく稼働し，結果がでるまでに数週間を要する最適計算に活用することができた。
Strategy for Future Research Activity	引き続きマルチフィジックスの解析プログラムの改善に取り組む。特にモータの固定子巻線部分の材料設定が熱解析では重要であり，実測と解析の結果が一致するようにするためには，実測データの収集や解析におけるパラメータサーベイが必要であると思われる。令和6年度はこれを重点的に実施する。デフレーション法等の高速解析手法に関しては，他の高速化手法との比較検討を理論的および実験的に比較検討する。その上で新たな解析手法を模索していく予定である。トポロジー最適化に関しては，形状表現方法の見直しを主に取り組む予定である。