Σχεδίαση Κινητηρίου Συστήματος Για Πρότυπο Ηλεκτρικό Όχημα

Abstract

Η παρούσα εργασία επιχειρεί τη σχεδίαση ηλεκτρικού κινητήρα για εφαρμογή σε σύστημα ηλεκτρικής κίνησης μικρού οχήματος χρησιμοποιώντας ως κύρια κριτήρια βελτιστοποίησης τη μείωση των απωλειών του βάρους και του όγκου. Το όχημα για το οποίο σχεδιάζεται ο κινητήρας προορίζεται να συμμετάσχει σε ευρωπαϊκό διαγωνισμό πρότυπων μονοθέσιων οχημάτων οικονομικής μετακίνησης (Shell Eco Marathon). Προκειμένου να συγκριθεί με υφιστάμενο κινητήρα τροχού επιλέχθηκε να εισαχθεί στο σύστημα κίνησης ένας μειωτήρας στροφών υψηλής απόδοσης έτσι ώστε να εξετασθούν κινητήρες υψηλών στροφών που έχουν μειωμένο μέγεθος και βάρος για την ίδια ισχύ. Η εργασία σε ένα πρώτο βήμα, μετά από κατάλληλη επιλογή μειωτήρα, προσδιορίζει τις προδιαγραφές των κύριων λειτουργικών χαρακτηριστικών του κινητήρα και σε ένα δεύτερο βήμα περιλαμβάνει τη μελέτη σχεδίασης και διαμόρφωσης όλων των συνιστωσών του. Συγκεκριμένα, ο σύγχρονος κινητήρας μονίμων επιφανειακών μαγνητών που σχεδιάσθηκε χαρακτηρίζεται από χαμηλή ισχύ (~ 220 W), υψηλή ταχύτητα περιστροφής ( ~ 2000 ΣΑΛ), και ταυτόχρονα υψηλή απόδοση (> 90%), με δυνατότητα παροχής υψηλής ροπής εκκινήσεως.Στην εργασία μετά από μια σύντομη παρουσίαση των εφαρμογών του ηλεκτρικού οχήματος και των διαφορετικών συστημάτων κίνησης που έχουν αναπτυχθεί πραγματοποιείται καθορισμός των χαρακτηριστικών του κινητήρα για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Αυτές οι προδιαγραφές ορίζονται βάσει των στοιχείων του οχήματος στο οποίο θα τοποθετηθεί, του τρόπου με τον οποίο θα κινεί το αυτοκίνητο για τις επιθυμητές τιμές των ταχυτήτων και των επιταχύνσεων που προβλέπονται στον αγώνα σε συνδυασμό βεβαίως και με τον συγκεκριμένο μειωτήρα στροφών. Η επιλογή του αποφασίσθηκε ύστερα από ανάλυση όλων των δυνατών συνδυασμών με βασικά κριτήρια τις χαμηλές μηχανικές απώλειες, το μικρό βάρος και τον μεγάλο λόγο μετασχηματισμού. Με βάση τα αποτελέσματα της παραπάνω διαδικασίας και χρήση αναλυτικών σχέσεων προκαταρκτικής σχεδίασης πραγματοποιείται μια πρώτη εκτίμηση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του κινητήρα.Ακολουθεί μία εκτενής παρουσίαση των παραμέτρων και των αυτοματοποιημένων αλγορίθμων που χρησιμοποιούνται κατά την οριστική σχεδίαση χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και εφαρμόζεται η μεθοδολογία αναζήτησης της βέλτιστης διαμόρφωσης εξετάζοντας πολλούς διαφορετικούς συνδυασμούς αυλάκων/πόλων με συγκεντρωμένα τυλίγματα μονής και διπλής στρώσης και μελετώντας μια σειρά από μεγέθη όπως η μέγιστη ροπή που αποδίδει ο κινητήρας, η κυμάτωση αυτής, η αρμονική παραμόρφωση της τάσης, η απόδοση και το βάρος. Η διαδικασία αυτή οδηγεί στην επιλογή των ιδανικότερων διαμορφώσεων πάνω στις οποίες θα πραγματοποιηθεί η ανάλυση ευαισθησίας για όλα σχεδόν τα γεωμετρικά μεγέθη με σκοπό την βελτιστοποίηση των χαρακτηριστικών που αναφέρθηκαν προηγουμένως. Η τελική γεωμετρία προκύπτει μετά από σύγκριση των βελτιστοποιημένων διαμορφώσεων με κριτήριο όχι μόνο την συμπεριφορά τους σε ονομαστικές συνθήκες λειτουργίας αλλά και τις επιδόσεις σε μια σειρά από άλλα πιθανά σημεία λειτουργίας.Τέλος συγκρίνονται τα χαρακτηριστικά του κινητήρα που σχεδιάστηκε με αυτά του υφιστάμενου κινητήρα τροχού στο όχημα λαμβάνοντας υπόψη τις απώλειες του μειωτήρα στροφών. Στις προσομοιώσεις χρησιμοποιήθηκαν τα λογισμικά πεπερασμένων στοιχείων FEMM και αριθμητικής ολοκλήρωσης διαφορικών εξισώσεων MATLAB.