Μοντελοποίηση, Πειραματική Επιβεβαίωση Και Βελτιστοποίηση Γεωμετρίας Κινητήρα Μονίμων Μαγνητών

Abstract

Η παρούσα εργασία επιχειρεί τη μελέτη ενός υφιστάμενου σύγχρονου κινητήρα μονίμων μαγνητών (350ΣΑΛ, 400W) και στη συνέχεια τη βελτιστοποίηση της γεωμετρίας του προκειμένου να αυξηθεί η απόδοση και να μειωθεί το βάρος του στα πλαίσια εφαρμογής ηλεκτρικού οχήματος. Συγκεκριμένα η εργασία περιλαμβάνει τρία στάδια: ανάπτυξη κατάλληλου μοντέλου προσομοίωσης, πειραματική εξακρίβωση των παραμέτρων του συγκεκριμένου κινητήρα και βελτιστοποίηση της γεωμετρίας του.Αρχικά, μετά από μία σύντομη παρουσίαση των ηλεκτρικών μηχανών και των διάφορων ειδών που χρησιμοποιούνται συνήθως σε εφαρμογές ηλεκτροκίνησης, αναλύθηκε ο τρόπος λειτουργίας και αναπαράστασης όσο και τα χαρακτηριστικά των σύγχρονων μηχανών επιφανειακών μονίμων μαγνητών. Στη συνέχεια, αναπτύσσεται ένα παραμετρικό μοντέλο που αναπαριστά με ικανοποιητική ακρίβεια μία μηχανή μονίμων μαγνητών, ανάλογα με τα διάφορα γεωμετρικά χαρακτηριστικά της τα οποία αποτελούν εισόδους του μοντέλου. Κατόπιν, πραγματοποιήθηκε η πειραματική εξακρίβωση των λειτουργικών χαρακτηριστικών της υφιστάμενης μηχανής, με βάση πειραματική διάταξη που διαμορφώθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών και Ηλεκτρονικών Ισχύος. Τα πειραματικά αποτελέσματα της μηχανής αυτής συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα προσομοιωμένα, αναδεικνύοντας την πολύ καλή σύγκλιση, και επομένως την ακρίβεια του αναπτυχθέντος μοντέλου. Στο τελικό βήμα της διπλωματικής, πραγματοποιήθηκε βελτιστοποίηση της γεωμετρία της μηχανής ώστε να προκύψουν βέλτιστες διαμορφώσεις ανταγωνιστικές της παρούσας. Αυτό επιχειρήθηκε με χρήση δύο διαδεδομένων πολυκριτηριακών εξελικτικών αλγορίθμων: Εξελικτικού Μετώπου Pareto (Strength Pareto Evolutionary Algorithm II) και Επιλογής Ομαδικού Μετώπου Pareto (Pareto Envelope-based Selection Algorithm II), ώστε να προκύψει και μία έμμεση σύγκριση της αποδοτικότητας έκαστης μεθοδολογίας. Εντέλει, επελέγησαν ορισμένες συγκεκριμένες γεωμετρίες από το πλήθος βέλτιστων λύσεων που δίνουν οι παραπάνω αλγόριθμοι, οι οποίες ικανοποιούν τα κριτήρια καλύτερης απόδοσης και μείωσης βάρους που αναφέρθηκαν παραπάνω αλλά και εξασφαλίσθηκε μέσω κατάλληλης τρισδιάστατης θερμικής ανάλυσης, ότι δεν παρουσιάζουν κάποιο θερμικό πρόβλημα.Στις προσομοιώσεις που έγιναν, χρησιμοποιήθηκαν τα λογισμικά πεπερασμένων στοιχείων FEMM, αριθμητικής ολοκλήρωσης διαφορικών εξισώσεων MATLAB και τρισδιάστατου μηχανολογικού σχεδιασμού Solidworks.