トルク最大化を目的とした永久磁石同期モータの回転子・固定子の同時トポロジー最適化
Torque Maximization through Simultaneous Topology Optimization of Stator and Rotor of PMSM

Takaya Furukawa, Mitsuru Endo, Yukio Tsutsui

計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会 2025（SI2025）
発表形式：Oral + Poster（ハイブリッド形式）
講演番号：1C2-13

背景 – Background

電磁モータは世界の電力消費に大きく関与しており，モータ性能の向上はエネルギー削減の観点から重要である．本研究では，制御ではなく設計に着目し，永久磁石同期モータ（PMSM）のトルク密度向上を目的とした構造設計手法を検討する．従来の研究では質量最小化を目的としたトポロジー最適化が用いられてきたが，目標トルクの設定に依存し，非現実的な構造が生成される課題があった．

Electric motors account for a significant portion of global electricity consumption, making performance improvement a key challenge. This study focuses on a design-oriented approach rather than control, aiming to enhance the torque density of permanent magnet synchronous motors (PMSMs). Conventional topology optimization based on mass minimization often depends on user-defined target torque values and may produce impractical structures.

手法 – Method

回転子および固定子を同時に設計対象とし，平均トルク最大化を目的関数としてトポロジー最適化を行う．平均トルク最大化により，製造可能性を高めた設計探索が可能となる．最適化にはCMA-ESを用い，複数のNGnetによるデコーディングを通じて，任意の数の材料を考慮した構造生成を実現する．また，永久磁石の着磁方向の自由度を拡張し，設計空間の柔軟性を高めている．

Simultaneous topology optimization of the rotor and stator is performed using average torque maximization as the objective. By maximizing average torque, the optimization process promotes manufacturable designs and avoids impractical solutions. CMA-ES is employed as the optimizer, and decoding based on multiple NGnets enables structure generation while considering an arbitrary number of materials. The design space is further expanded by increasing the degrees of freedom in magnetization directions of permanent magnets.

Fig.1 Base model geometry and design domain of rotor and stator

Fig.2 Overview of NGnet-based multi-material decoding process

結果 – Result

提案手法により，非現実的な構造を回避しつつ，ベースモデルと比較してトルク密度の向上が確認された．特に，磁石配置と磁束分布が合理的に形成され，高トルク化に寄与する設計が自動的に導出されることを示した．

The proposed approach successfully avoids impractical geometries and achieves improved torque density compared with the baseline model. The optimized designs exhibit rational magnet arrangements and magnetic flux distributions that contribute to higher torque generation.

Fig.3 Optimized rotor and stator topology obtained by the proposed method

Fig.4 Magnetic flux distribution of the optimized PMSM design

結論 – Conclusion

平均トルク最大化を目的とした回転子・固定子の同時トポロジー最適化により，設計者依存性を低減し，現実的かつ高性能なモータ構造を導出できることを示した．本手法は，小型・高トルク密度モータ設計における有効な設計指針を提供する．

By adopting average torque maximization, the proposed simultaneous topology optimization reduces designer dependency and yields realistic, high-performance motor structures. The method provides a practical design guideline for compact motors with high torque density.

This work was supported by Yaskawa Electric Corporation.

参考文献 – Reference

（本文中では参照せず，論文原稿に基づくため本ページでは省略）

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