Βελτιστοποίηση Λειτουργίας Κινητήρων Μεταβλητής Μαγνητικής Αντίστασης Με Μόνιμους Μαγνήτες Με Βάση Κύκλους Οδήγησης Ηλεκτρικών Οχημάτων

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση της λειτουργίας και η βελτιστοποίηση της οδήγησης σύγχρονων κινητήρων Εσωτερικών Μονίμων Μαγνητών (ΕΜΜ), σε πολλαπλά σημεία λειτουργίας για εφαρμογές ηλεκτρικών οχημάτων. Για τον καθορισμό της βέλτιστης οδήγησης χρησιμοποιούνται εργαλεία δυναμικής προσομοίωσης καθώς και κατάλληλο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων. Αρχικά, διερευνήθηκαν διάφοροι κύκλοι οδήγησης οχημάτων που έχουν οριστεί μέχρι σήμερα από διάφορες ερευνητικές δράσεις και οργανισμούς σε παγκόσμιο επίπεδο. Στα πλαίσια της παρούσας μελέτης επιλέγεται να χρησιμοποιηθεί ο Νέος Ευρωπαϊκός Κύκλος Οδήγησης, καθώς προσομοιώνει την οδηγική συμπεριφορά ενός οχήματος σε αστικό και υπεραστικό περιβάλλον, ενώ περιλαμβάνει ένα ευρύ φάσμα ταχυτήτων και επιταχύνσεων.Στη συνέχεια, μελετώνται οι δυνάμεις που επιδρούν σε ένα κινούμενο όχημα και εφαρμόζοντας τις εξισώσεις κίνησης, αναπτύσσεται παραμετροποιημένο μοντέλο ταχύτητας - ροπής. Επιπλέον, εξετάζεται η απόκριση του μοντέλου με είσοδο τον Νέο Ευρωπαϊκό Κύκλο Οδήγησης και τις προδιαγραφές ενός μικρού ηλεκτρικού οχήματος πόλης, το οποίο επιλέγεται ως εφαρμογή.Σε ένα επόμενο βήμα, πραγματοποιείται βιβλιογραφική διερεύνηση των σύγχρονων μηχανών ΕΜΜ, όσον αφορά τις αρχές λειτουργίας και την πεδιακή τους συμπεριφορά με βάση τα διανυσματικά διαγράμματα των κυκλωματικών εξισώσεων στο σύστημα αναφοράς ευθέως και κάθετου άξονα (d-q). Το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στο πλεονέκτημά τους να λειτουργούν σε μεγάλο εύρος ταχυτήτων λόγω της δυνατότητας ικανοποιητικής λειτουργίας σε συνθήκες εξασθένισης πεδίου.Εν συνεχεία, πραγματοποιείται, μέσω κατάλληλου μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων, μία πλήρης χαρτογράφηση μιας σχεδιασμένης μηχανής ΕΜΜ για εφαρμογή μικρού ηλεκτρικού οχήματος σε όλα τα δυνατά σημεία λειτουργίας, μέσω κατάλληλης μεταβολής του μέτρου του ρεύματος τυμπάνου, της γωνία του ρεύματος σε σχέση με τον ευθύ (d) άξονα και της ταχύτητα λειτουργίας. Μέσω της συγκεκριμένης ανάλυσης, παρατηρούνται μη γραμμικά φαινόμενα όπως η εκτυπότητα, τα αρμονικά φαινόμενα χώρου και ο μαγνητικός κορεσμός, ιδιαίτερα σε συνθήκες εξασθένησης πεδίου. Τέλος, με βάση την πλήρη χαρτογράφηση της υπό μελέτη μηχανής και την απόκριση του μοντέλου ταχύτητας - ροπής στον Νέο Ευρωπαϊκό κύκλο οδήγησης, αναπτύσσεται ένας αλγόριθμος αναζήτησης της βέλτιστης πεδιακής και λειτουργικής τροχιάς της μηχανής στον κύκλο οδήγησης με κριτήριο την ελαχιστοποίηση των απωλειών και των αρμονικών φαινομένων στην παραγόμενη ροπή και στην τάση τυμπάνου, τα αποτελέσματα του οποίου οδήγησαν σε χρήσιμα συμπεράσματα για τα σημεία μέγιστης ροπής ανά ρεύμα και εξασθένησης πεδίου.Κατά την εκπόνηση της παρούσας εργασίας, χρησιμοποιήθηκαν τα εργαλεία λογισμικού Matlab/Simulink και FEMM.