Σχεδίαση Και Βελτιστοποίηση Σύγχρονου Κινητήρα Μονίμων Μαγνητών

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη σχεδίαση ενός σύγχρονου ηλεκτρικού κινητήρα μονίμων μαγνητών, με αντικειμενικό σκοπό την επίτευξη της επιθυμητής επίδοσης του κινητήρα βελτιώνοντας σημαντικά τον συντελεστή απόδοσης, την ποιότητα ισχύος, την κυμάτωση της ροπής, το μέγιστο ρεύμα τριφασικού βραχυκυκλώματος, τo κατασκευαστικό κόστος και το βάρος του κινητήρα. Επιπλέον, βασικό σκοπό αποτελεί η δημιουργία μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας μέσω της οποίας μπορεί να σχεδιαστεί ηλεκτρικός κινητήρας μονίμων μαγνητών βασισμένος στις προδιαγραφές της εκάστοτε εφαρμογής.Αρχικά, πραγματοποιείται μια σύντομη περιγραφή των διαφορετικών ειδών ηλεκτρικών κινητήρων μονίμων μαγνητών καθώς και οι εφαρμογές στις οποίες συναντώνται. Κατόπιν αυτού διερευνώνται οι προδιαγραφές του προς μελέτη κινητήρα και προσδιορίζονται τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά που κρίνονται καταλληλότερα για την εφαρμογή αυτή. Η μέθοδος προκαταρκτικής σχεδίασης ηλεκτρικών κινητήρων που παρουσιάζεται στην συνέχεια, βασίζεται στη μελέτη των ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κατά τη λειτουργία μιας ηλεκτρικής μηχανής. Για την κατανόηση της μεθοδολογίας σχεδίασης, οι θεωρητικές αρχές που διέπουν την διαδικασία αυτή καθώς και τα φαινόμενα που επηρεάζουν την απόδοση και την επίδοση του κινητήρα περιγράφονται εκτενώς.Ακολούθως πραγματοποιείται θεωρητική διερεύνηση των εξισώσεων που διέπουν το δυναμικό μοντέλο της σύγχρονης μηχανής μονίμων μαγνητών. Με την χρήση του μοντέλου αυτού πραγματοποιήθηκε ανάλυση διαφόρων μεταβατικών φαινομένων που παρουσιάζονται σε έναν ηλεκτρικό κινητήρα και αξιολόγηση αυτών για κάθε μία από τις διαμορφώσεις που μελετήθηκαν. Έχοντας αναλύσει θεωρητικά πληθώρα διαμορφώσεων διερευνάται η πλεονεκτικότερη ανάμεσα σε πολλούς διαφορετικούς συνδυασμούς πόλων/αυλάκων με συγκεντρωμένα τυλίγματα στάτη απλής και διπλής στρώσης. Η οριστική σχεδίαση επιτυγχάνεται με την εφαρμογή της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων για την επίλυση των εξισώσεων του μαγνητικού πεδίου, σε συνδυασμό με την ανάλυση ευαισθησίας των τριών επικρατέστερων διαμορφώσεων, σε 8 γεωμετρικές παραμέτρους του κινητήρα.Βάσει της επίπτωσης στη λειτουργική συμπεριφορά των χαρακτηριστικών μεγεθών του κινητήρα δημιουργήθηκαν κατάλληλες αντικειμενικές συναρτήσεις και μέσω της διεπαφής λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων (FEA) πραγματοποιήθηκε η βελτιστοποίηση του κινητήρα. Ακολουθώντας την παραπάνω διαδικασία επιλέχθηκε η καλύτερη συμβιβαστική λύση για την τελική διαμόρφωση της γεωμετρίας του κινητήρα. Τέλος, η επιλεχθείσα διαμόρφωση αναλύθηκε εκτενώς σε τρία διαφορετικά σημεία λειτουργίας.