Συγκριτική Σχεδιομελέτη Ηλεκτρικής Μηχανής Μονίμων Μαγνητών Και Μηχανής Μεταβλητής Μαγνητικής Αντίστασης Για Εφαρμογή Πρωτότυπου Ηλεκτρικού Οχήματος

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία επιχειρεί συγκριτική σχεδιομελέτη ηλεκτρικού κινητήρα επιφανειακών μονίμων μαγνητών και κινητήρα μεταβλητής μαγνητικής αντίστασης για εφαρμογή σε σύστημα ηλεκτρικής κίνησης πρότυπου οχήματος αγώνων εξοικονόμησης ενέργειας. Πρόκειται για κινητήρες χαμηλής ισχύος (~350W), χαμηλής ταχύτητας περιστροφής (~300 ΣΑΛ), και ταυτόχρονα υψηλής απόδοσης (90%), χρησιμοποιώντας ως κύρια κριτήρια βελτιστοποίησης τη μείωση των απωλειών, του βάρους, και της αρμονικής παραμόρφωσης της επαγόμενης τάσης και ροπής. Οι περιορισμοί, στους οποίους υπόκειται η σχεδίαση των κινητήρων, προέρχονται από τις προδιαγραφές συγκεκριμένου ευρωπαϊκού διαγωνισμού πρότυπων μονοθέσιων οχημάτων οικονομικής μετακίνησης. Στην εργασία, σε ένα πρώτο στάδιο, προσδιορίζονται οι προδιαγραφές των κύριων λειτουργικών χαρακτηριστικών των κινητήρων, σε ένα δεύτερο στάδιο καθορίζονται οι βασικές γεωμετρικές διαστάσεις των διαμορφώσεών τους μέσω προκαταρκτικής σχεδίασης και σε τελικό στάδιο υπολογίζονται οι βέλτιστες γεωμετρίες με χρήση πολυκριτηριακών εξελικτικών αλγορίθμων και τεχνικές ανάλυσης του μαγνητικού πεδίου που βασίζονται στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων.Εισαγωγικά επιχειρείται μία σύντομη επισκόπηση των διαμορφώσεων των συστημάτων κίνησης των ηλεκτρικών αυτοκινήτων και ιδιαίτερα των διάφορων ειδών ηλεκτρικών κινητήρων που χρησιμοποιούνται. Στη συνέχεια αναλύεται η πίστα των αγώνων και αντίστοιχες απαιτήσεις ροπής. Βάσει αυτών των αποτελεσμάτων πραγματοποιείται προκαταρκτική σχεδίαση και των δύο τύπων κινητήρα, βασιζόμενη σε αναλυτικές σχέσεις για τον υπολογισμό βασικών μεγεθών της γεωμετρίας τους.Στη συνέχεια επεξηγείται η επιλογή των σχεδιαστικών μεταβλητών για κάθε ένα από τους δύο τύπους κινητήρων. Επιπροσθέτως αναλύονται τεχνικές σχεδιασμού των γεωμετριών και η διαδικασία που ακολουθήθηκε για τον υπολογισμό των ηλεκτρομαγνητικών χαρακτηριστικών των μηχανών. Τα βασικότερα χαρακτηριστικά που χρησιμοποιήθηκαν είναι η αποδιδόμενη ροπή, η κυμάτωση της ροπής, τo αρμονικό περιεχόμενο της τάσης, το βάρος και οι απώλειες των κινητήρων.Στο τελευταίο μέρος της εργασίας εξετάζονται οι γενικές αρχές της βελτιστοποίησης και οι εξελικτικοί πολυκριτηριακοί αλγόριθμοι. Στη συνέχεια αναλύεται ο αλγόριθμος βελτιστοποίησης που αναπτύχθηκε, ο συνδυασμός κριτηρίων που ορίστηκε και το σύνολο των μεταβλητών που επιλέχθηκαν. Παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της βελτιστοποίησης και γίνεται επιλογή των πιο κατάλληλων γεωμετριών του μετώπου Pareto. Τέλος, συγκρίνονται οι αρχικές και βελτιστοποιημένες γεωμετρίες των μηχανών μόνιμων μαγνητών και μεταβλητής μαγνητικής αντίστασης και αναλύονται τα πλεονεκτήματα των βελτιστοποιημένων γεωμετριών αναδεικνύοντας την καταλληλότητα των μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν.Για την υλοποίηση των μεθοδολογιών προσομοίωσης που αναπτύχθηκαν χρησιμοποιήθηκαν τα λογισμικά πεπερασμένων στοιχείων FEMM και αριθμητικής ολοκλήρωσης διαφορικών εξισώσεων MATLAB.