Design process for structural dynamics optimization of high-speed electric machine frame

Abstract

High-speed electric machines have been developed for decades thanks to their high efficiency and power density. The problem with the development of high speed electrical machines is the long and iterative design process which is usually tailored to each machine. One part of the design process is the design of the frame, for which there has been no systematic process in the past. In this work, a design process was developed in which initial values and a target are used to create frame structures optimized for specific frequency. The developed design process utilizes topological optimization to generate optimal frame structures for high-speed electrical machines.

The geometries produced by topology optimization are often complex but well optimised. The location and stiffness of the fixation points have a significant impact on the natural frequencies and they must be taken into account when creating the design domain. Manufacturability, cooling solution or structural durability are not taken in to account in the optimization and must be taken into account separately in the space allocation and in the evaluation of the results. In the presented case study topological optimisation produced a frame which has 41 % higher first natural frequency than the reference model.

Suurnopeussähkökoneiden kehitystyö on jatkunut vuosikymmeniä niiden korkean hyötysuhteen sekä tehotiheyden ansiosta. Ongelma suurnopeussähkökoneiden kehityksessä on pitkä ja iteratiivinen suunnitteluprosessi joka on yleensä jokaiselle koneelle räätälöity. Yksi osa suunnitteluprosessia on rungon suunnittelu, johon ei ole ollut systemaattista prosessia aikaisemmin. Tässä työssä kehitettiin suunnitteluprosessi jossa lähtöarvojen sekä tavoitteen avulla luodaan ominaistaajuuden kannalta optimoituja runkorakenteita. Kehitetty suunnitteluprosessi käyttää topologista optimointia jolla se luo optimaalisia runkorakenteita suurnopeussähkökoneille.

Topologiaoptimoinnin tuottamat geometriat ovat usein monimutkaisia mutta hyvin optimoituja. Kiinnityspisteiden sijainti sekä jäykkyys vaikuttavat ominaistaajuuksiin huomattavasti ja ne on otettava huomioon suunnittelualuetta luodessa. Valmistettavuutta, jäähdytysratkaisua tai rakenteellista kestävyyttä ei optimoida, vaan nämä pitää ottaa tilavarauksilla ja tulosten arvioinnissa erikseen huomioon. Esimerkissä topologisella optimoinnilla tuotettiin runko jonka ensimmäinen ominaistaajuus oli 41 % suurempi kuin referenssimallissa.