Electromagnetic design, analysis, and optimization of an interior permanent magnet motor for robotic application

Soleimanipour, Matin (2026). Electromagnetic design, analysis, and optimization of an interior permanent magnet motor for robotic application. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Robotic grippers typically demand two competing capabilities from their actuator: rapid closing motion for effective manipulation and high jaw force once contact occurs. Because most compact grippers employ a fixed transmission (e.g., a gear stage driving a lead screw or linkage), actuator selection should be based on torque-speed capability under electrical limits rather than torque at a single low-speed point. This thesis evaluates the potential of an interior permanent-magnet synchronous motor (IPM) for gripper actuation and benchmarks it against surface-mounted PM (SPM) solutions.
A preliminary IPM motor design is first established using a geometry-driven sizing analysis to determine feasible rotor and stator dimensions, followed by the calculation and adoption of an appropriate winding configuration. After this baseline design is defined, the stator geometry, winding arrangement, stack length, air gap, and electrical constraints (48 V DC bus and a maximum phase current limit of 5 A) are held fixed throughout the entire investigation to isolate the influence of rotor topology and rotor geometric parameters. Candidate rotor designs are evaluated using ANSYS Maxwell two-dimensional finite-element analysis (2-D FEA), which provides electromagnetic torque predictions and saturation-dependent inductances Ld and Lq. Using these electromagnetic quantities, optimal operating points are obtained by solving the maximum-torque-per-ampere (MTPA) condition across the speed range and extending into the voltage-limited field-weakening region to generate complete torque–speed envelopes for performance comparison.
Rotor development proceeds in two stages. First, a Taguchi design-of-experiments screening study is conducted to quantify the relative influence of selected rotor geometric parameters on key electromagnetic performance metrics (e.g., torque and saliency) and to identify which factors warrant emphasis in the subsequent optimization. Second, a feasibility-constrained, discrete optimization is executed as a batch-wise, surrogate-assisted search implemented in MATLAB: candidate rotor designs are systematically proposed within the constrained design space and evaluated through Maxwell 2-D FEA simulations, and the accumulated electromagnetic data are used to train a surrogate model that iteratively refines the search toward improved designs. In total, 270 rotor configurations are assessed (comprising an initial seed set plus sequential exploration batches) ultimately yielding a final optimized IPM rotor that satisfies all geometric, magnetic, and mechanical constraints.
The optimized IPM design is benchmarked against two references: (i) a magnet-budget matched SPM baseline simulated using the same stator and identical electrical limits, and (ii) a commercial 48 V Maxon EC frameless SPM motor of comparable size. To compare candidates in a gripper-relevant way, each torque-speed envelope is translated through an idealized “virtual transmission” that normalizes all designs to the same required closing speed. Under this common-speed basis, the optimized IPM achieves the highest equivalent output torque, providing approximately 13% higher normalized torque than the SPM baseline and approximately 80% higher than the commercial Maxon SPM reference. This outcome reflects the greater geometric adjustability of the IPM rotor, which enables tuning the saliency and field-weakening behavior toward a gripper-oriented torque-speed profile.

Titre traduit

Conception, analyse et optimisation électromagnétiques d’un moteur à aimants permanents intérieurs pour applications robotiques

Résumé traduit

Les pinces robotiques exigent généralement de leur actionneur deux capacités concurrentes : un mouvement de fermeture rapide pour assurer une manipulation efficace et une force de préhension élevée une fois le contact établi. Comme la plupart des pinces compactes intègrent une transmission à rapport fixe (p. ex. un étage d’engrenages entraînant une vis mère ou un mécanisme de biellettes), le choix de l’actionneur devrait s’appuyer sur la capacité couple-vitesse sous contraintes électriques, plutôt que sur le couple à un seul point de faible vitesse. Ce mémoire évalue le potentiel d’un moteur synchrone à aimants permanents intérieurs (IPM) pour l’actionnement de pinces et le compare à des solutions à aimants permanents montés en surface (SPM).
Un premier concept de moteur IPM est d’abord établi au moyen d’une analyse de dimensionnement guidée par la géométrie afin de déterminer des dimensions réalisables du rotor et du stator, puis par le calcul et l’adoption d’une configuration d’enroulement appropriée. Une fois ce concept de référence défini, la géométrie du stator, l’arrangement des enroulements, la longueur d’empilage, l’entrefer ainsi que les contraintes électriques (bus CC de 48 V et courant de phase maximal de 5 A) sont maintenus constants tout au long de l’étude afin d’isoler l’influence de la topologie rotorique et des paramètres géométriques du rotor. Les conceptions de rotors candidates sont évaluées au moyen d’analyses par éléments finis bidimensionnelles (2D) réalisées sous ANSYS Maxwell, qui fournissent des prédictions du couple électromagnétique ainsi que des inductances Ld et Lq dépendantes de la saturation. À partir de ces grandeurs électromagnétiques, les points de fonctionnement optimaux sont obtenus en résolvant la condition de couple maximal par ampère (MTPA) sur la plage de vitesses et en prolongeant l’analyse dans la région d’affaiblissement de flux limitée par la tension, de manière à générer des enveloppes couple-vitesse complètes pour la comparaison des performances.
Le développement du rotor se déroule en deux étapes. D’abord, une étude de criblage par plans d’expériences de Taguchi est menée afin de quantifier l’influence relative des paramètres géométriques retenus sur les principaux indicateurs de performance électromagnétique (p. ex. le couple et la saillance) et d’identifier les facteurs à privilégier lors de l’optimisation subséquente. Ensuite, une optimisation discrète, soumise à des contraintes de faisabilité, est réalisée sous forme de recherche par lots assistée par modèle de substitution, mise en œuvre dans MATLAB : des conceptions de rotor sont proposées systématiquement à l’intérieur d’un espace de conception contraint et évaluées au moyen de simulations 2D sous Maxwell; les données électromagnétiques accumulées servent à entraîner un modèle de substitution qui affine itérativement la recherche vers des conceptions améliorées. Au total, 270 configurations de rotor sont évaluées (comprenant un ensemble initial de points d’amorçage et des lots d’exploration successifs), menant ultimement à un rotor IPM optimisé respectant l’ensemble des contraintes géométriques, magnétiques et mécaniques.
La conception IPM optimisée est ensuite comparée à deux références : (i) une base SPM à budget d’aimants équivalent, simulée avec le même stator et des limites électriques identiques, et (ii) un moteur SPM frameless commercial Maxon EC de 48 V, de taille comparable. Afin d’effectuer une comparaison pertinente pour une pince, chaque enveloppe couple-vitesse est transposée au moyen d’une « transmission virtuelle » idéalisée qui normalise toutes les conceptions à la même vitesse de fermeture requise. Sur cette base commune, l’IPM optimisé atteint le couple équivalent en sortie le plus élevé, offrant environ 13 % de couple normalisé supérieur à la base SPM et environ 80 % supérieur à la référence commerciale Maxon SPM. Ce résultat reflète la plus grande ajustabilité géométrique du rotor IPM, qui permet d’accorder la saillance et le comportement en affaiblissement de flux à un profil couple-vitesse adapté aux exigences d’une pince.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of applied science in automated manufacturing engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 141-151).
Mots-clés libres:	moteur synchrone à aimants permanents intérieurs, IPM, analyse par éléments finis électromagnétique, AEF, EMEF, optimisation de moteurs électriques
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Duchaine, Vincent
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la production automatisée
Date de dépôt:	15 avr. 2026 19:00
Dernière modification:	15 avr. 2026 19:00
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3877

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