CES TEMS 论文分享｜比利时根特大学Mohamed Reda Mahmoud等：基于级联多物理场拓扑优化的新型非对称IPM转子设计

Novel Asymmetric IPM Rotor Design Using Cascaded Multiphysics Topology Optimization

Mohamed Reda Mahmoud*1,2,3; Mohamed N. Ibrahim1,2,4; Peter Sergeant1

1.Ghent University, Gent, Belgium

2.FlandersMake@UGent- Corelab MIRO, Leuven, Belgium

3.Minia University, Minia, Egypt

4.Kafrelshiekh University, Kafr el-Sheikh, Egypt

M. R. Mahmoud, M. N. Ibrahim and P. Sergeant, "Novel Asymmetric IPM Rotor Design Using Cascaded Multiphysics Topology Optimization," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol. 10, no. 2, pp. 153-165, June 2026, doi: 10.30941/CESTEMS.2026.00018.

摘 要

可持续的电机设计对于提高能源效率和降低材料消耗至关重要。本文介绍了一种使用拓扑优化（TO）的新型非对称内永磁体（IPM）转子设计。该研究采用两阶段TO方法设计IPM转子。在第一阶段，进行多目标电磁TO，以提高平均扭矩并减少磁主动转子区的质量。在第二阶段，进行结构TO以最小化非磁性转子区的质量，同时保持机械完整性，确保转子能够承受操作机械应力。对非对称拓扑优化的IPM（ATO-IPM）机器进行了分析，并与传统的IPM设计和对称拓扑优化IPM（STO-IPM）设计进行了基准测试。结果表明，非对称磁通屏障提高了扭矩性能。与传统的IPM电机相比，ATO-IPM设计显著提高了永磁体（PM）的利用率，并将扭矩密度提高了约13.3%。此外，与传统设计相比，ATO-IPM设计通过将效率提高2.3%来支持可持续性的发展。此外，ATO-IPM设计节省了传统拓扑结构中约46.7%的硅钢量。

Abstract

Sustainable motor design is crucial for improving energy efficiency and reducing material consumption. This paper introduces a novel asymmetric interior permanent magnet (IPM) rotor design using topology optimization (TO). The study employs a two-stage TO approach to design IPM rotor. In the first stage, a multi-objective electromagnetic TO is conducted to enhance the average torque and reduce the mass of the magnetically active rotor zone. In the second stage, structural TO is performed to minimize the mass of the magnetically inactive rotor zone while maintaining mechanical integrity, ensuring the rotor withstands operational mechanical stresses. The asymmetric topology-optimized IPM (ATO-IPM) machine is analyzed and benchmarked against the conventional IPM design and the symmetric topology-optimized IPM (STO-IPM) design. The results indicate that the asymmetric flux barriers enhance the torque performance. The ATO-IPM design offers significantly more efficient utilization of permanent magnets (PMs) and improved torque density by approximately 13.3% compared to the conventional IPM motor. Moreover, ATO-IPM design supports the advancement of sustainability by improving efficiency by 2.3% compared to conventional design. Furthermore, ATO-IPM designs save about 46.7% of the amount of silicon steel of the conventional topology.

传统IPM电机的横截面视图

作者信息

Mohamed Reda Mahmoud，分别于2018年7月和2023年1月获得埃及米尼亚大学电气和电子工程学士学位和硕士学位。他目前是比利时根特大学机电、系统和金属工程系的博士研究员。自2023年2月以来，他一直在埃及迷你大学电气与电子工程系担任助理讲师（休假）。他的研究兴趣包括电力电子、电机驱动、电动汽车、拓扑优化、电机分析建模以及磁致动器和电机电磁元件的增材制造等领域。

Mohamed N. Ibrahim (Senior Member, IEEE)，2012年11月获得埃及坦塔大学电力与机械工程硕士学位，2017年12月获得比利时根特大学机电工程博士学位。他分别于2008年11月和2018年4月成为埃及Kafrelsheikh大学电气工程系的助教和助理教授（休假）。自2017年12月以来，他一直是根特大学机电、系统和金属工程系的博士后研究员。自2023年8月以来，他一直是Kafrelsheikh大学电气工程系的副教授（休假）。他目前是比利时法兰德斯制造业战略研究中心Flanders Make的附属成员。他的研究兴趣包括电机和可持续性驱动。

Peter Sergeant (Senior Member, IEEE)，分别于2001年和2006年获得比利时根特大学机电工程硕士学位和工程科学博士学位。2006年和2012年，他分别成为博士后研究员和副教授。自2022年以来，他一直是根特大学的正教授。他的研究领域是工业、汽车和可持续能源应用的电机和驱动器。他是法兰德斯制造业战略研究中心法兰德斯制造的附属成员。他的重点是机器和驱动器的精确建模、原型制作和测试，以提高可靠性、可持续性、能源效率和功率密度。

《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》(CES TEMS)是中国电工技术学会和中国科学院电工研究所共同主办、IEEE PELS学会技术支持的英文学术期刊。期刊发表国内外有关高性能电机系统、电机驱动、电力电子、可再生能源系统、电气化交通等研发及应用领域中原创、前沿学术论文。中国工程院院士马伟明担任主编，IEEE 副主席 Don Tan 博士为国际主编。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中国科学引文数据库(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知网、万方、维普等数据库收录。

中国电工技术学会

新媒体平台

学会官方微信

电工技术学报

CES电气

学会官方B站

CES TEMS

今日头条号

学会科普微信

抖音号