Σχεδίαση Και Βελτιστοποίηση Κινητήρα Μονίμων Μαγνητών Για Εφαρμογή Ηλεκτροκίνησης

Abstract

Η παρούσα εργασία πραγματεύεται τη σχεδίαση ηλεκτρικού κινητήρα για εφαρμογή σε σύστημα ηλεκτρικής κίνησης οχήματος, κατάλληλα βελτιστοποιημένου ώστε να εμφανίζει μειωμένες απώλειες. Το όχημα για το οποίο σχεδιάζεται και κατασκευάζεται ο κινητήρας προορίζεται να συμμετάσχει στον ευρωπαϊκό διαγωνισμό πρότυπων μονοθέσιων οχημάτων οικονομικής μετακίνησης. Η εφαρμογή σε ένα πρώτο βήμα περιλαμβάνει την προδιαγραφή των κύριων λειτουργικών χαρακτηριστικών του κινητήρα και σε ένα δεύτερο βήμα τη μελέτη σχεδίασης και διαμόρφωσης όλων των συνιστωσών του. Συγκεκριμένα, ο κινητήρας είναι αρκετά χαμηλής ισχύος (~ 0.1 kW) , χαμηλής ταχύτητας περιστροφής ( ~ 300 Σαλ ), και ταυτόχρονα πολύ υψηλής αποδόσεως ( > 90%), με δυνατότητα παροχής υψηλής σχετικά ροπής εκκινήσεως (περίπου τριπλάσια της ονομαστικής ροπής) . Αρχικά, πραγματοποιήθηκε βιβλιογραφική διερεύνηση των δυνατοτήτων, των περιορισμών και των επιλογών που υπάρχουν αναφορικά με τη χρήση ηλεκτρικών κινητήρων σε οχήματα. Μετά από μία σύντομη παρουσίαση του ηλεκτροκίνητου οχήματος ως εφαρμογή, ακολουθεί η ανάλυση του κινητήρα ως βασικού υποσυστήματός του και αντικειμένου μελέτης αυτής της εργασίας. Εξετάζονται οι εναλλακτικοί τύποι κινητήρα και τεκμηριώνεται η επιλογή της σχεδίασης κινητήρα μονίμων μαγνητών με εξωτερικό δρομέα (δρομέας τροχού).Εξειδικεύεται η μεθοδολογία σχεδίασης του ηλεκτροκινητήρα που υιοθετήθηκε, με αναφορά τον κινητήρα μονίμων μαγνητών. Η μεθοδολογία αυτή αποτελεί μια σύνθετη διαδικασία της οποίας οι διάφορες επί μέρους δράσεις περιλαμβάνουν την επιλογή των κατάλληλων υλικών κατασκευής, τις θεωρητικές σχέσεις της προκαταρκτικής σχεδίασης των διαστάσεων του διακένου, τα μοντέλα περιγραφής των χαρακτηριστικών όπως η επίδοση και οι απώλειες, τα υπολογιστικά εργαλεία λεπτομερούς πεδιακής ανάλυσης όπως τα μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων που χρησιμοποιήθηκαν και οι τεχνικές βελτιστοποίησης γεωμετρίας.Στη συνέχεια παρατίθεται βήμα προς βήμα η εφαρμογή της προαναφερόμενης μεθοδολογίας για τη σχεδίαση του συγκεκριμένου ηλεκτρικού κινητήρα. Παρουσιάζονται επίσης τα αναμενόμενα χαρακτηριστικά του κινητήρα μονίμων μαγνητών και η οριστική σχεδίαση του δοκιμίου προς κατασκευή.Η χρήση αριθμητικών τεχνικών όπως η ανάλυση του μαγνητικού πεδίου του κινητήρα και η βελτιστοποίηση της γεωμετρίας μπορούν να προσφέρουν σημαντικές υπηρεσίες στη σχεδίαση κινητήρων. Για αυτό το λόγο αναπτύσσεται σε αυτή την εργασία ένα καινοτομικό μοντέλο εκτίμησης απωλειών σιδήρου σε συνδυασμό με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και εφαρμόζεται για τη βελτιστοποίηση γεωμετρίας κινητήρα μειωμένων απωλειών.Στις προσομοιώσεις που έγιναν χρησιμοποιήθηκαν τα λογισμικά FEMM και MATLAB.