Μονοκριτηριακή Και Πολυκριτηριακή Βελτιστοποίηση Σύγχρονου Κινητήρα Επιφανειακών Μονίμων Μαγνητών Για Εφαρμογή Ηλεκτροκίνησης

Abstract

Η παρούσα εργασία επιχειρεί τη σχεδίαση ηλεκτρικού κινητήρα για εφαρμογή σε σύστημα ηλεκτρικής κίνησης οχήματος, χρησιμοποιώντας μονοκριτηριακή και πολυκριτηριακή βελτιστοποίηση γεωμετρίας και θέτοντας ως κυρίαρχα κριτήρια εκτός από την επίτευξη της επίδοσης, τη μείωση των απωλειών, των συντελεστών ποιότητας ισχύος, του βάρους και του όγκου της μηχανής. Η εργασία σε ένα πρώτο βήμα προσδιορίζει τις προδιαγραφές των κύριων λειτουργικών χαρακτηριστικών του κινητήρα και σε ένα δεύτερο βήμα βελτιστοποιεί τη γεωμετρία σχεδίασης βάσει των εκάστοτε λειτουργικών χαρακτηριστικών του. Πιο συγκεκριμένα, επιχειρείται η σχεδίαση και βελτιστοποίηση ενός σύγχρονου κινητήρα επιφανειακών μονίμων μαγνητών, ο οποίος χαρακτηρίζεται από χαμηλή ισχύ (~220 W), χαμηλή ταχύτητα περιστροφής (~300 ΣΑΛ) και ταυτόχρονα υψηλή απόδοση (> 85%).Αρχικά, πραγματοποιείται μια σύντομη παρουσίαση του ηλεκτροκίνητου οχήματος ως εφαρμογή αναφοράς και των διαφορετικών συστημάτων κίνησης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Στη συνέχεια, περιγράφεται η θεωρητική ανάλυση των σύγχρονων μηχανών επιφανειακών μονίμων μαγνητών, καθώς και η μεθοδολογία προκαταρκτικής σχεδίασης μιας τέτοιας μηχανής. Σε επόμενη ενότητα, γίνεται η παρουσίαση όλων των αλγορίθμων βελτιστοποίησης που χρησιμοποιούνται στην παρούσα εργασία, οι οποίοι είναι μονοκριτηριακοί Τεχνητής Αποικίας Μελισσών ABC (Artificial Bee Colony algorithm) και Διαφορικής Εξέλιξης DE (Differential Evolution algorithm) καθώς και πολυκριτηριακοί Εξελικτικού Μετώπου Pareto SPEA-II (Strength Pareto Evolutionary Algorithm II), NSGA-II Αλγόριθμος Ταξινόμησης των Μη-κυριαρχούμενων λύσεων (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II) και Επιλογής Ομαδικού Μετώπου Pareto PESA-II (Pareto Envelope-based Selection Algorithm II). Στη συνέχεια αναπτύσσονται ειδικοί υβριδικοί αλγόριθμοι προσαρμοσμένοι για τη συγκεκριμένη εφαρμογή, και συγκεκριμένα ο μονοκριτηριακός ABC-DE (Artificial Bee Colony algorithm-Differential Evolution) και ο πολυκριτηριακός αλγόριθμος ASMA (ABC SPEA-II Multi-objective Algorithm). Προκειμένου να διερευνηθεί η αποτελεσματικότητα και αποδοτικότητα των δύο αυτών αλγορίθμων, παρουσιάζεται η σύγκριση μεταξύ αυτών και άλλων δημοφιλών μονοκριτηριακών και πολυκριτηριακών αλγορίθμων στην περίπτωση τυπικών δοκιμαστικών συναρτήσεων. Ιδιαίτερα για τον τροποποιημένο μονοκριτηριακό αλγόριθμο ABC-DE συγκρίνεται η σύγκλιση που παρουσιάζει πρoς τη βέλτιστη τιμή για διάφορες δοκιμαστικές συναρτήσεις, σε σχέση με τον κλασικό αλγόριθμο ABC. Αντιστοίχως, για τον πολυκριτηριακό ASMA πραγματοποιείται σύγκριση των χαρακτηριστικών του με εκείνα τριών δημοφιλών εξελικτικών αλγoρίθμων πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης, του SPEA-II (Strength Pareto Evolutionary Algorithm II), του NSGA-II (Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm II) και του PESA-II (Pareto Envelope-based Selection Algorithm II). H σύγκριση αυτή πραγματοποιείται με τη βοήθεια επτά δοκιμαστικών συναρτήσεων, δύο και τριών κριτηρίων, της πλήρους ακολουθίας του Van Veldhuizen. Για να επιτευχθεί αντικειμενική σύγκριση των αλγoρίθμων αυτών, επιλέχθηκαν πρόσφατες τεχνικές αξιολόγησης μετώπων Pareto, όπως ο δείκτης υπερόγκου μετώπου (Hypervolume) και ο δείκτης συνεισφοράς του (Contribution Rate, CR). Σε επόμενο κεφάλαιο επιχειρείται η βελτιστοποίηση γεωμετρίας του κινητήρα του πρωτότυπου οχήματος «Πυρφόρου ΙΙ». Η μεθοδολογία βελτιστοποίησης που αναπτύχθηκε βασίζεται στους δύο υβριδικούς αλγορίθμους που προαναφέρθηκαν και υλοποιήθηκε με τη βοήθεια του προγράμματος αριθμητικής ολοκλήρωσης διαφορικών εξισώσεων MATLAB, του προγράμματος πεδιακής ανάλυσης με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων FEMM και των εντολών συνδυασμού τους σε γλώσσα Luascript.Μετά τις βελτιστοποίησεις παρουσιάζονται και αναλύονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από αυτές, όπως επίσης γίνεται και παράθεση των σχεδίων των κινητήρων αλλά και των λειτουργικών χαρακτηριστικών τους. Γίνεται, τέλος, σύγκριση μεταξύ αυτών και του κινητήρα που σχεδιάστηκε στο αρχικό στάδιο αυτής της εργασίας. Η σύγκριση αυτή αναδεικνύει την καταλληλότητα της μεθόδου σε αυτή τη κατηγορία προβλημάτων, καθώς επιτεύχθηκε σημαντική αύξηση της απόδοσης του ηλεκτρικού κινητήρα χωρίς μεταβολή των ονομαστικών του προδιαγραφών.