Features of topological optimization of the synchronous generator with permanent magnetsbased on a genetic algorithm

Abstract

The main objective of the study is to assess the feasibility of replacing rare-earth NdFeB mag-nets with ferrite magnets (BaFe₁₂O₁₉) in a 10 kW synchronous generator designed for use in renewable energy. Ferrites are 10–15 times cheaper than NdFeB and have high thermal stability but have a signif-icantly lower residual induction and coercivity. To achieve this goal, the following tasks were solved: creating a technique for multi-criteria optimization of the generator design based on a genetic algorithm and the finite element method modeling and analysis of the results. The optimization objective function combines three normalized parameters: rotor mass (kg), magnetic system cost (USD), and electromag-netic losses (W), normalized relative to the base generator with NdFeB. The choice of the genetic algo-rithm is due to its ability to effectively solve problems with nonlinear field dependencies and complex topology, avoiding local minima. The simulation was performed for three configurations: the base gen-erator withNdFeB and the generator with ferrites before and after optimization. The most important results are that topological optimization allowed reducing the rotor weight by 10% lossesandby 18% and increasing the efficiency from 85% to 87.3%, while reducing the cost by 9.6% compared to the original model on ferrite magnets. Compared to the base version of NdFeB, the optimized generator turned out to be 20.5% cheaper, and the efficiency decrease was only 5 percentage points. The signifi-cance of the obtained results consists in confirming the prospects for using ferrite magnets in low-power distributed generation systems.

Obiectivul principal al studiului este de a evalua fezabilitatea înlocuirii magneților NdFeB din pământuri rare cu magneți din ferită (BaFe₁₂O₁₉) într-un generator sincron de 10kW proiectat pentru utilizarea în energia regenerabilă. Feritele sunt de 10-15 ori mai ieftine decât NdFeB și au o stabilitate termică ridicată, dar au o inducție reziduală și o forță coercitivăsemnificativ mai mici. Pentru a atinge acest obiectiv, au fost rezolvate următoarele sarcini: crearea unei tehnici de optimizăriimulticriterialea proiectării generatorului pe baza unui algoritm genetic și a metodei elementelor finite, modelarea și analiza rezultatelor. Funcția obiectivului de optimizare combină trei parametri normalizați: masa rotorului (kg), costul sistemului magnetic (USD) și pierderile electromagnetice (W), normalizate în raport cu generatorul de bază cu NdFeB. Alegerea algoritmului genetic se datorează capacității sale de a rezolva în mod eficient probleme cu dependențe de câmp neliniare și topologie complexă, evitând mini-ma locale. Simularea a fost efectuată pentru trei configurații: generatorul de bază cu NdFeB, generatorul cu ferite înainte de optimizare și după optimizare. Cele mai importante rezultate sunt că optimizarea topologică a permis reducerea greutății rotorului cu 10%, a pierderilor cu 18% și creșterea eficienței de la 85% la 87.3%, reducând în același timp costul cu 9.6% în comparație cu modelul original pe magneți de ferită. În comparație cu versiunea de bază pe NdFeB, generatorul optimizat s-a dovedit a fi cu 20.5% mai ieftin, iar scăderea eficienței a fost de numai 5%. Semnificația rezultatelor obținute constă în confirmarea perspectivelor utilizării magneților din ferităîn sistemele de generare distribuită cu putere redusă.

Основная цель исследованиязаключается в оценке целесообразности замены редкоземельных магнитов NdFeB на ферритовые магниты (BaFe₁₂O₁₉) в синхронном генераторе мощностью 10 кВт, предназначенном для применения в возобновляемой энергетике (ветроустановки). Ферриты дешевле NdFeB в 10–15 раз и обладают более высокой термостабильностью, однако имеют значительно меньшую остаточную индукцию и коэрцитивную силу, что требует модификации конструкции. Для достижения поставленной цели были решеныследующиезадачи: создание методикимногокритериальной оптимизации конструкции генератора, основаннойна генетическом алгоритме и методе конечных элементов, моделированиена базе методаи анализ результатов.Целевая функция оптимизации объединяет три нормализованных параметра: массу ротора (кг), стоимость магнитной системы (USD) и электромагнитные потери (Вт), нормированные относительно базового генератора с NdFeB. Выбор генетического алгоритма обусловлен его способностью эффективно решать задачи с нелинейными зависимостями полей и сложной топологией, избегая локальных минимумов, где градиентные методы или PSO могут терять точность или требовать сложной настройки параметров. Моделирование проведено для трёх конфигураций: базовый генератор с NdFeB, генератор с ферритами до оптимизации и после оптимизации. Наиболее важным результатомявляетсято,что топологическая оптимизация ротора и статора позволила снизить массу ротора на 10%, потери на 18% и повысить КПД с 85% до 87.3 %, при этом уменьшив стоимость на 9.6 % по сравнению с исходной моделью на ферритовых магнитах. По сравнению сбазовымвариантом на NdFeB, оптимизированный генератор оказался дешевле на 20.5 %, а снижение КПД составило лишь 5%. Значимость полученных результатов состоит в подтверждениеперспектив использования ферритовых магнитов в сочетании с топологической оптимизацией в системах распределенной генерациималой мощности, в качестве экономически эффективной альтернативы редкоземельным материалам.