In this paper, an adaptive optimization strategy utilizing Kriging model and genetic algorithm is proposed for the optimal design of electromagnetic devices. The ordinary Kriging assisted by the spherical covariance model is used to construct surrogate models. In order to improve the computational efficiency, the adaptive uniform sampling strategy is applied to generate sampling points in design space. Through several iterations and gradual refinement process, the global optimal point can be found by genetic algorithm. The proposed algorithm is validated by application to the optimal design of a switched reluctance motor, where the stator pole face and shape of pole shoe attached to the lateral face of the rotor pole are optimized to reduce the torque ripple.
Kim, J.H.;Hyeon, C.J.;Quach, H.L.;Chae, Y.S.;Moon, J.H.;Boo, C.J.;Kim, H.M.
Progress in Superconductivity and Cryogenics
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v.19
no.4
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pp.45-50
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2017
This paper presents a conceptual design and analysis for a 1-kW-class high-temperature superconducting rotating machine (HTSRM) rotor. The designed prototype is a small-scale integration system of a HTSRM and a HTS contactless rotary excitation device (CRED). Technically, CRED and HTSRM are connected in the same shaft, and it effectively charges the HTS coils of the rotor field winding by pumping fluxes via a non-contact method. HTS coils in rotor pole body and toroidal HTS wire in CRED rotor are cooled and operated by liquid nitrogen in cryogen tank located in inner-most of rotor. Therefore, it is crucial to securely maintain the thermal stability of cryogenic environment inside rotor. Especially, we critically consider not only on mechanical characteristics of the rotor but also on cryogenic thermal characteristics. In this paper, we conduct two main tasks covering optimizing a conceptual design and performing operational characteristics. First, rotor parameters are conceptually designed by analytical design codes. These parameters consider to mechanical and thermal performances such as mechanical strength, mechanical rigidity, and thermal heat losses of the rotor. Second, mechanical and thermal characteristics of rotor for 1-kW-class HTSRM are analyzed to verify the feasible operation conditions. Hence, three-dimensional finite element analysis (3D-FEA) method is used to perform these analyses in ANSYS-Workbench platform.
Axial Field Permanent Magnet (AFPM) generators are widely applied for the small wind turbine because of the higher power density per unit weight than that of the conventional radial field generator. It is caused by the disc shaped rotor and the stator structures. The generally used AFPM generator, AFER-NS generator, is composed of the two side's external rotors and non-slotted stator without stator core. However, the output voltage and the output power are limited by the large reluctance by the long air-gap flux paths. In this paper, the design study of AFIR-S generator having double side's slotted stator core is accomplished to improve the output generation characteristics. The electromagnetic design analysis and the design improvement of the suggested AFIR-S generator are studied. Firstly, the electromagnetic design analysis was done to increase the power density. Secondly, the design optimizations of the rotor pole-arc ratio of permanent magnet are accomplished to increase the output power and to reduce the cogging torque. Finally, the output performances of AFER-NS and AFIR-S generator are compared with each other. For this study, 3D FEA is applied for the design analysis because of three dimensional electromagnetic structures.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2009.10a
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pp.258-263
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2009
This paper describes an analysis of the stability and performance of a large-capacity flywheel energy storage system (FESS) supported by active magnetic bearings. We designed and manufactured the system that can store up to 5kWh of usable energy at the maximum speed of 18,000 rpm. In order to analyze the stability of the systems accurately, we derived a rigid body rotor model, flexible rotor model using finite-element method, and a reduced-order model using modal truncation. The rotor model is combined with those of active magnetic bearings, amplifiers, and position sensors, resulting in a system simulation model. This simulation model is validated against experimental measurements. The stability of the system is checked from the pole locations of the closed-loop transfer functions. We also investigated the sensitivity function to quantify the robustness of the systems to the disturbances such as mass imbalance and sensor noises.
Transactions on Electrical and Electronic Materials
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v.16
no.6
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pp.328-333
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2015
Squirrel cage induction motors have mostly been used for their small capacity because the starting torque is smaller than the starting current during start-up. However, as more and more mid-to-large capacity motors are developed, the demands for improvements in performance characteristics have also increased. In this study, the starting characteristics of squirrel cage induction motors were analyzed based on the rotor materials and shapes using a finite element method to provide design data suitable for different use purposes and capacities. We further completed analysis by combining electromagnetic equations deduced from Maxwell’s equations and the circuit equations of stators and rotors. A moving coordinator was introduced to rotate the rotor during the analysis, and the torques calculated via the finite element method were combined with the motion equations to calculate the position and angular velocity of the rotors at the next time, thereby analyzing the transient characteristics. The analysis results of the transient characteristics were applied to a 3-phase 4-pole 5-hp induction motor to calculate the starting torque, speed, and rotation angle of the rotors. In the reference model, the materials and shapes of the rotor slot were changed to copper and silicon copper and a deep slot, shallow slot, and long-neck-shaped slot.
This paper presents a design of a 2-phase segmental stator type 4/3 switched reluctance motor (SRM) for air-blower application. The air-blower requires only one direction rotation, high rotor speed without torque dead-zone. In order to satisfy the requirements of the load, the rotor of the 4/3 proposed SRM is designed with wider rotor pole arc and non-uniform air-gap is applied on the rotor shape. With a special rotor structure, the motor generates a wider positive torque region and has no torque dead-zone. The stator of the proposed SRM is constructed with two segmental C-cores, and there are no magnetic connections between 2 C-cores. The flux follows in a short closed loop in each C-core and has no reversal flux in the stator. The static and dynamic characteristics of the proposed motor are analyzed by the finite element method (FEA) and Matlab-Simulink, respectively. In order to verify the design, a prototype of the proposed motor has manufactured for laboratory test. The performance of the proposed motor is verified by the simulation and experimental results.
The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics
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v.16
no.4
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pp.374-381
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2011
This paper proposes a new method to acquire an initial rotor position for IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) without a position sensor at standstill. The proposed method is based on the variation of inductance caused by the magnetic saturation of stator core. Minimum number of voltage vectors are chosen to determine the initial rotor position. By using the resultant currents in combination with the inductance variation, the north pole and the absolute position of the rotor can be easily obtained. This method also has the advantage of not requiring motor parameters and additional hardware. Its validity is verified by experiments.
The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics
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v.9
no.5
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pp.448-456
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2004
This paper presents a new method of detecting rotor position in Toroidal Switched Reluctance Motor (TSRM). In this paper, low cost and robust characteristics of rotor position detection method are focused in order to compensate for disadvantage of general sensors. Search coils wound through the hole of the stator poles are used for detection of the rotor position in TSRM. Rotor position detection is achieved through electromotive force patterns induced by time-varying flux linkage in the search coils and then adequate phase is excited for drive. The validity of the method is verified by experimental results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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