Space-mapping and related techniques for inverse problems in magnetic shape design, with application to an electromagnetic actuator (EMVT 02201)

Titel
Snellere ontwerptechniek voor actuators (EMVT02201)

Het ontwerpen van een actuator voor een aandrijving is niet alleen elektromagnetisch, maar ook wiskundig zeer complex. De huidige methodes kosten veel tijd om een optimaal resultaat te bereiken. De TU Eindhoven en het CWI uit Amsterdam ontwikkelen samen een betere methode, gebaseerd op de space mapping techniek.

Elektromagnetische actuators worden meestal ontworpen met ‘trial-and-error’ methodes.
Daarbij worden analytische en numerieke optimaliseerfases meerdere keren doorlopen, rekening houdend met de gewenste eigenschappen en randvoorwaarden. Dat maakt het ontwerpproces complex en tijdrovend. Het resultaat is bovendien meestal niet optimaal. Er is een trend om 2D en 3D numerieke methodes in een vroeg stadium toe te passen. De mogelijkheden van traditionele methoden, zoals de intuïtieve benadering van de ingenieur en het genereren van nieuwe kennis komen niet meer aan bod.

De TU Eindhoven en het CWI uit Amsterdam werken daarom samen aan een efficiëntere methode om het ontwerp van actuators te optimaliseren. Ze richten zich vooralsnog op de elektrische en magnetische aspecten. Daarbij gaat het om het modelleren van de spoelen, het ijzer en de permanente magneten in de actuator, en van alle elektrische stromen en magnetische velden hierin.

In het project wordt specifiek gekeken naar elektromagnetische actuatoren voor een lineaire beweging. Deze motoren worden gebruikt door de halfgeleiderindustrie in high-precision machines, zoals wafersteppers, waferscanners en pick-and-place machines.

Nieuw ontwerp
De methode zal worden gebaseerd op de vrij nieuwe space mapping techniek. Space mapping is het aan elkaar koppelen van twee wiskundige ruimtes door parameters uit het ene model te extraheren en te vertalen naar de andere ruimte. In dit geval is de eerste ruimte een grof model dat de actuator met relatief eenvoudige vergelijkingen beschrijft. De tweede ruimte is een fijn model, dat meestal werkt met commercieel beschikbare eindige elementen technieken. ‘De uiteindelijke optimalisatie gebeurt in het ruwe model, waarbij af en toe informatie wordt gehaald uit het fijne model. De promovendi ontwikkelen de wiskundige functies die de kennis van het fijne model kunnen transformeren naar het grove model’, vertelt André Vandenput.

Tijdens het project zal een grof model, analytisch of numeriek, worden ontwikkeld van een elektromagnetische actuator. Daarnaast worden computerprogramma’s in Matlab of C++ gemaakt die de link met het fijne model vormen. Voor het fijne model wordt hoofdzakelijk bestaande 2D of 3D eindige elementen simulatiesoftware gebruikt.

In het project worden vier actuatoren bekeken, die telkens ingewikkelder worden wat betreft hun specificaties. De eerste drie zijn bestaande actuatoren, waarvan de karakteristieken bekend zijn. Hiermee wordt het model ontwikkeld en gevalideerd.

De vierde actuator wordt een geheel nieuw ontwerp, dat met behulp van space mapping zal worden ontwikkeld. De actuator zal op een wrijvingsloze manier kunnen bewegen, zuiver aangestuurd door elektromagnetische krachten. ‘De industrie wil in aandrijfsystemen steeds meer mechanische componenten vervangen door elektromagnetische. Het nieuwe ontwerp moet het mogelijk maken om de gewenste nauwkeurigheid te behouden’, licht Vandenput toe. Er zal een proefmodel van de nieuwe actuator worden gebouwd en deze zal worden getest.

Een tweede doel van het project is om de space mapping techniek te verbeteren. Daarvoor wordt een mathematische onderbouwing ontwikkeld die inzicht geeft in de toepasbaarheid van de methode. Op basis van de nieuwe inzichten wordt naar meer efficiënte methodes gezocht. Bij de optimalisatie worden mogelijk ook elementen van de defect-correction methode meegenomen, een techniek die gelijkenis vertoont met space mapping en waar het CWI veel ervaring mee heeft.

Versnelling
Space mapping is een techniek die reeds geruime tijd wordt gebruikt in microgolf- en antennetechnieken. Voor elektromagnetische systemen is het echter nog nooit toegepast. Van de techniek wordt een significante versnelling van het ontwerpproces verwacht, en dat is met de eerste resultaten aangetoond. Bovendien geeft het de ontwerper meer mogelijkheden om de ontwerpruimte te verkennen, zodat tegelijkertijd een kwaliteitsslag gemaakt kan worden.

Industriële interesse
Het project heeft de belangstelling van verschillende bedrijven in de halfgeleiderindustrie, die participeren in de begeleidingscommissie. De resultaten zullen echter ook van nut zijn voor de producenten van andere EMVT systemen, zoals vermogenselektronica en spoelen in scanning apparatuur, zoasl voor medische diagnose.

Uitvoerders
TU Eindhoven, Electrical Engineering Department,
Group Electromechanics & Power Electronics (EPE)
– L. Encica, M.Sc. (promovendus)
– Dr. E. Lomonova, M.Sc. (UD Elektromechanica)
– Prof.dr.ir. A.J.A. Vandenput

CWI, Department of Modeling, Analysis and Simulation, Group Computing and Control (MAS2)– D. Echeverria, M.Sc. (promovendus)
– Dr. D. Lahaye (postdoc)
– Prof.dr. P.W.Hemker

Onderzoeksperiode
Aug 2003 tot aug 2007.

Referentielijst

D. Echeverria: Electromagnetic Shape Optimization with the Space Mapping Technique; at the workshop held in Naples (Italy) on September 22-23, 2003.

D.Lahaye: Efficient algoritms for inverse magnetic field computations; ERCIM News (56), january 2004.

L. Encica, D. Echeverria and E.A. Lomonova: Design and optimization of a coreless actuator using space mapping technique; Second IEEE Young Researchers, March 18-19, 2004, Delft

D. Echeverria, P. Hemker: Optimization in electromagnetics with the space-mapping technique; Eighth Copper Mountain conference on iterative methods, March 28 – April 2, 2004, Copper Mountain, USA.

D. Echeverria, D. Lahaye, P. Hemker: Multiscale algorithms for the design of electromagnetic linear actuators; International conference on inverse problems: modelling and simulation, June 6 – 12, 2004 Fethiye, Turkey.

D. Echeverria, D. Lahaye, L. Encica, P. Hemker: Optimization in electromagnetics with the space-mapping technique; Eighth International Conference on optimization and inverse problems in electromagnetism, September 6 – 8, 2004, Grenoble, France.

D. Echeverria and P.W. Hemker: A Defect Correction Approach to Space Mapping, abstract; International Conference of Numerical Analysis and Applied Mathematics 2004 (ICNAAM 2004), Chalkis , Greece , 10-14 September 2004.

D. Echeverria and D. Lahaye: Design Optimization of Linear Actuators, abstract; Conference of the Dutch-Flemish Numerical Analysis Communities, Woudschoten, The Netherlands (2004).

L. Encica, E.A. Lomonova, A.J.A. Vandenput: A Study of the Space Mapping Approach to the Inverse Design Problem of a Coreless Actuator; presented paper, Riga, Latvia, 2004.

D. Echeverria, D. Lahaye, L. Encica and P.W. Hemker: Optimization in Electromagnetics with the Space Mapping Technique; COMPEL The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, Special Issue Volume 24, Issue 3, 2005

D. Echeverria and P.W. Hemker: Space mapping and defect correction; CWI report MASE0506, ISSN 1386-3703, Amsterdam, 2005.

L. Encica, J. Makarovic, E.A. Lomonova, and A.J.A. Vandenput; Space Mapping Optimization of a Cylindrical Voice Coil Actuator; accepted paper, pp. 1-7, The International Electric Machines and Drives Conference, May 15-18, 2005, San Antonio, TX, USA.

D. Echeverria, D. Lahaye and P.W. Hemker: Multi-Level Optimization with the Space Mapping Technique, abstract; 8th SIAM Conference on Optimization, May 15-18, 2005, Stockholm, Sweden.

D. Lahaye, D. Echeverria, L. Encica, E.A. Lomonova, P.W. Hemker and A.J.A. Vandenput: Space Mapping Applied to Linear Actuator Design; abstract, 8th SIAM Conference on Optimization, May 15-18, 2005, Stockholm, Sweden.

D. Lahaye, D. Echeverria, L. Encica, E.A. Lomonova and A.J.A. Vandenput: Geometry Optimization of Electromagnetic Linear Actuators; abstract, 6th World Congress on Structural and Multidisciplinary Optimization (WCSMO6), May 30th – June 3rd, 2005, Rio de Janeiro, Brazil.

D. Echeverria, D. Lahaye, L. Encica, E.A. Lomonova, P.W. Hemker and A.J.A. Vandenput: Space-Mapping Applied to Linear Actuator Design; abstract, 15th Conference on the Computation of Electromagnetic Fields (COMPUMAG 2005), June 26th – 30th, 2005, Shenyang, China.

D. Echeverria and P.W. Hemker: Space Mapping and Defect Correction; CMAM The International Mathematical Journal Computational Methods in Applied Mathematics 5(2), 2005, Pages: 107-136.

D. Echeverria, D. Lahaye, L. Encica, E.A. Lomonova, P.W. Hemker and A.J.A Vandenput: Manifold-Mapping Optimization Applied to Linear Actuator Design; submitted to IEEE Trans. On Magnetics, 2005.

L. Encica, D. Echeverria, E. Lomonova, A. Vandenput, P. Hemker, D. Lahaye: Efficient Optimal Design of Electromagnetic Actuators Using Space-Mapping; Proc. 6th World Congres on Structural and Multidisciplinary Optimization, 30 May-3 June 2005, Rio de Janeiro, 2005, pp. 1-10, accepted for publication in the SMO Journal.

D. Echeverria, D. Lahaye, L. Encica and P.W. Hemker, Multilevel Optimization: The Space-Mapping Technique; abstract, 8th European Multigrid Conference on Multigrid, Multileveland Multiscale Methods, Scheveningen The Hague, The Netherlands, September 27-30, 2005.

M. Nool and D. Lahaye: The Eggshell Method in a Nutshell; CWI report MAS-E0514, ISSN1386-3703, Amsterdam, 2005, submitted to COMPEL.

M. Nool and D. Lahaye: The Eggshell Method for Magnetic Force; FEMLAB Conference, November 2nd-4th, Frankfurt, Germany.

D. Echeverría, D. Lahaye, L. Encica, E.A. Lomonova, P.W. Hemker and A.J.A Vandenput: Manifold-Mapping Optimization Applied to Linear Actuator Design; IEEE Transactions on Magnetics, 42(4), pp. 1183-1186, 2006.

D. Echeverría, D. Lahaye, L. Encica, E.A. Lomonova, P.W. Hemker and A.J.A Vandenput: Manifold-Mapping Optimization Applied to Linear Actuator Design; Technical Report MAS-E0606, CWI, 2006.

D. Echeverría and P.W. Hemker: On the Manifold-Mapping Optimization Technique, abstract; 9th Copper Mountain conference on Iterative Methods, April 2-7, Copper Mountain, Colorado, US, 2006.

L. Encica, J.J.H. Paulides, D. Echeverria, E. Lomonova, A.J.A. Vandenput: A Framework for Efficient Automated Optimal Design of Electromagnetic Actuators, digest,12th Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation (CEFC 2006), 30 April-3 May 2006, Miami, USA.

J.J.H. Paulides, L. Encica, E. Lomonova, A.J.A. Vandenput: Design Considerations for an Active Electro-Magnetic Suspension System; IEEE International Magnetics Conference (INTERMAG 2006), 8-12 May 2006, San Diego, USA.

P.W. Hemker and D. Echeverría: Manifold Mapping for Multilevel Optimization, abstract; 6th Scientific Computing in Electrical Engineering international conference SCEE2006, September 17-22, Sinaia, Romania, 2006.

D. Echeverría, L. Encica, E.A. Lomonova and P.W. Hemker: Optimization in Electromagnetics with the Manifold-Mapping Technique, abstract: 9th Workshop on Optimization and Inverse Problems in Electromagnetism OIPE2006, September 13-15, Sorrento, Italy, 2006.

L. Encica, J.J.H. Paulides, E. Lomonova, A.J.A. Vandenput: Optimal Design of a Linear Permanent Magnet Actuator for Active Roll Control in Automotive Applications, abstract; XVII International Conference on Electrical Machines (ICEM 2006), 2-5 September 2006, Chania, Greece.

J.J.H. Paulides, L. Encica, E. Lomonova, A.J.A. Vandenput: Passive and Active Constant Force-Displacement Characteristics of a Long-Stroke Linear Actuator; abstract, XVII International Conference on Electrical Machines (ICEM 2006), 2-5 September 2006, Chania, Greece.

L. Encica, J.J.H. Paulides, E. Lomonova, A.J.A. Vandenput: Electromagnetic and Thermal Design of a Tubular Actuator Using Space Mapping, digest; IEEE Industry Applications Society 41st Annual Meeting (IAS 2006), 8-12 October 2006, Tampa, USA.

D. Echeverria and P.W. Hemker: On the Manifold-Mapping Optimization Technique; CWI Technical Report MAS-R0612, Amsterdam, The Netherlands, 2006.

P.W. Hemker and D. Echeverria: A Trust-Region Strategy for Manifold-Mapping Optimization; CWI Technical Report MAS-EO61 8, Amsterdam, The Netherlands, 2006.

D. Echeverría: Two New Variants of the Manifold-Mapping Technique; CWI Technical Report, Amsterdam, The Netherlands, 2006.

D. Echeverria, D. Lahaye and P.W. Hemker: Space Mapping and Defect Correction, in Model Order Reduction; H.A. van der Vorst and W.H.A. Schilders, Eds, 2006.

D. Echeverria: On the Manifold-Mapping Optimization Technique: Part One, abstract; 2nd International Workshop on Surrogate Modelling and Space Mapping for Engineering Optimization SMSMEOO6, November 9-1 1, Lyngby, Denmark, 2006.

P.W. Hemker: From Space Mapping to Manifold Mapping, abstract; 2nd International Workshop on Surrogate Modelling and Space Mapping for Engineering Optimization SMSMEOO6, November 9-1 1, Lyngby, Denrnark, 2006.

J.J.H. Paulides, L. Encica, E.A. Lomonova, A.J.A. Vandenput: Active rol1 compensation for automotive applications using a brushless direct-drive linear permanent magnet actuator; Proc. Power Electronics Specialists Conference, June, 2006, Jeju, Korea.

L. Encica, J.J.H. Paulides, E. Lomonova, A.J.A. Vandenput: Electromagnetic and Thermal Design of a Linear Actuator Using Output Polynomial Mapping; Proc. IEEE Industry Applications SocieS, 41st Annual Meeting(IAS 2006), 8-12 October 2006, Tampa, USA.