| | SLO | ENG | Cookies and privacy

Bigger font | Smaller font

Show document Help

Title:Integrating Multi-Physics Modeling within Multi-Objective Optimization to Enhance the Performance and Efficiency of Permanent Magnet Synchronous Machines : doktorska disertacija
Authors:ID Garmut, Mitja (Author)
ID Petrun, Martin (Mentor) More about this mentor... New window
Files:.pdf DOK_Garmut_Mitja_2025.pdf (17,79 MB)
MD5: CAE7F9C8C6386556D270FAE487F90B99
 
Language:English
Work type:Doctoral dissertation
Typology:2.08 - Doctoral Dissertation
Organization:FERI - Faculty of Electrical Engineering and Computer Science
Abstract:This Dissertation focuses on the optimization of an Interior Permanent Magnet (IPM) machine for handheld battery-powered tools, aiming to enhance performance and efficiency. The research integrates multi-physics modeling, including electromagnetic Finite Element Method (FEM) and thermal models, to evaluate machine performance under various operating conditions. The performance is evaluated according to selected Key Performance Indicators (KPIs). Further, different control methods, such as Field Oriented Control and Square-Wave Control, impact the performance significantly and are incorporated into the optimization process. Due to the computational challenges of FEM-based performance evaluations in Multi-Objective Optimization (MOO), this work utilizes Artificial Neural Network (ANN)-based meta-models, to accelerate the optimization process while preserving accuracy. The developed meta-models capture nonlinear machine characteristics from the FEM model. These meta-models are then used to evaluate machine performance through a combination of analytical and numerical post-processing methods. Four MOO scenarios are presented, each aimed at optimizing the cross-sectional design of IPM machines, to enhance performance and efficiency while reducing mass and cost. Additionally, these scenarios modify the machine’s electromagnetic behavior, to ensure better alignment with the selected control method. By comparing the optimization process of Scenario 1, which uses direct FEM-based evaluation without time reduction measures, to the approach incorporating Artificial Neural Network based meta-models, the total number of individual FEM evaluations decreased from 2.35×10^9 to 2.03×10^5, without almost any loss of accuracy. This reduced the computation time from 297 years to 9.07 days on our standard desktop computer. The obtained ANN-base meta-models can be used further for other optimizations without the need for additional FEM evaluations. In all four optimization scenarios, the use of meta-models enabled the generation of a Pareto front of the optimal solutions, leading to improved KPIs compared to the reference design. The highest relative improvement occurred in Scenario 1, where the selected optimized machine design achieved a 30% increase in power density compared to the reference design.
Keywords:Interior Permanent Magnet (IPM) Machine, Artificial Neural Network (ANN), Meta-Modeling, Multi-Objective Optimization (MOO), Finite Element Method (FEM), Multi-Physics Modeling, Field Oriented Control (FOC), Square-Wave Control (SWC)
Place of publishing:Maribor
Place of performance:Maribor
Publisher:[M. Garmut]
Year of publishing:2025
Number of pages:XXXIX, 145 str.
PID:20.500.12556/DKUM-91651 New window
UDC:621.313.8-048.34(043.3)
COBISS.SI-ID:235945731 New window
Publication date in DKUM:15.05.2025
Views:239
Downloads:249
Metadata:XML DC-XML DC-RDF
Categories:KTFMB - FERI
:
Copy citation
  
Average score:(0 votes)
Your score:Voting is allowed only for logged in users.
Share:Bookmark and Share



Hover the mouse pointer over a document title to show the abstract or click on the title to get all document metadata.

Licences

License:CC BY-NC-ND 4.0, Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International
Link:http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
Description:The most restrictive Creative Commons license. This only allows people to download and share the work for no commercial gain and for no other purposes.
Licensing start date:09.02.2025

Secondary language

Language:Slovenian
Title:Vključitev večfizikalnega modeliranja v večkriterijsko optimizacijo za izboljšanje zmogljivosti in izkoristka sinhronskih strojev s trajnimi magneti
Abstract:Doktorska disertacija obravnava optimizacijo stroja s trajnimi magneti, ki poganja baterijsko napajano ročno orodje. Glavni namen optimizacije je bil izboljšava zmogljivosti in izkoristka stroja. Večfizikalno modeliranje, ki zajema elektromagnetni in termični podsistem, smo uporabili za oceno zmogljivosti stroja pod različnimi delovnimi pogoji. Zmogljivost stroja smo ocenili glede na izbrane ključne kazalnike uspešnosti. Poleg tega smo v optimizacijski postopek vključili različne strategije vodenja, kot sta vektorsko vodenje in elektronsko komutiran stroj, saj pomembno vplivata na oceno zmogljivosti stroja. Ovrednotenje zmogljivosti stroja je bilo računsko zelo neučinkovito. To nam je preprečilo neposredno vključitev modelov na osnovi MKE v večkriterijsko optimizacijo, zato smo vpeljali nadomestne modele na osnovi umetnih nevronskih mrež, ki so nadomestili MKE pri vrednotenju zmogljivosti. Nadomestni modeli niso zamenjali celotnega vrednotenja, temveč zgolj vrednotenje magnetnih sklepov, navora ter komponent izgub v železnem jedru v različnih delovnih točkah, pridobljenih iz MKE. Ostalo numerično in analitično vrednotenje smo izvedli na podlagi teh podatkov. Potrebno je izpostaviti, da brez uporabe nadomestnih modelov tako zastavljene večkriterijske optimizacije ne bi mogli izvesti na sodobnih osebnih računalnikih. Brez uporabe nadomestnih modelov in ukrepov za povečanje računske učinkovitosti bi ena optimizacija zahtevala 2.35×10^9 izračunov MKE. Z uporabo teh ukrepov in nadomestnih modelov to število bistveno zmanjšamo na 2.03×10^5 izračunov MKE. Izvedli smo štiri scenarije večkriterijske optimizacije. Vsi štirje scenariji so privedli do tako imenovanih Paretovih krivulj oz. front, ki predstavljajo nabor optimalnih rešitev za vsak posamezen scenarij. Rezultati optimizacij so za vse štiri scenarije vsebovali množico rešitev, kjer sta bila izboljšana oba ključna kazalnika uspešnosti v primerjavi z referenčnim strojem. Za vsak scenarij smo podrobno ovrednotili en izbran stroj. Največjo izboljšavo smo dosegli pri scenariju 1, kjer je izbran stroj imel za 30% večjo gostoto moči v primerjavi z referenčnim strojem. Glavni zaključek disertacije je, da smo z vključitvijo večfizikalnega modela v večkriterijsko optimizacijo izboljšali zmogljivost in izkoristek stroja ter druge ključne kazalnike uspešnosti. Dodatno smo pokazali, da lahko z uporabo optimizacije prilagodimo elektromagnetne karakteristike stroja tako, da je stroj bolje prilagojen za izbran način vodenja.
Keywords:stroj s trajnimi magneti, umetna nevronska mreža, nadomestni modeli, večkriterijska optimizacija, metoda končnih elementov, večfizikalno modeliranje, vektorsko vodenje, elektronska komutacija


Comments

Leave comment

You must log in to leave a comment.

Comments (0)
0 - 0 / 0
 
There are no comments!

Back
Logos of partners University of Maribor University of Ljubljana University of Primorska University of Nova Gorica