Θερμική Ανάλυση Κινητήρα Μονίμων Μαγνητών

Abstract

Η μετάδοση της θερμότητας σε διάφορα υλικά μέσα αποτελεί πεδίο έρευνας για πολλούς κλάδους της επιστήμης. Ιδιαίτερα στην περίπτωση των ηλεκτρικών μηχανών, η μεταβολή στη θερμοκρασία προκαλεί σημαντικές μεταβολές στην απόκρισή τους σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας και γι’ αυτό αποτελεί σημαντική παράμετρο τόσο για τη σχεδίαση όσο και για την ανάλυση της συμπεριφοράς τους.Στην παρούσα διπλωματική εργασία, αναφέρονται αναλυτικά τα θερμικά φαινόμενα που συντελούνται στο εσωτερικό του κινητήρα κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του και οι σχέσεις που διέπουν τους διαφορετικούς τρόπους μετάδοσης της θερμότητας. Η ανάλυση του θερμικού προβλήματος ενός κινητήρα ισχύος 63kW με επιφανειακούς μόνιμους μαγνήτες, προοριζόμενου για χρήση σε μικρό ηλεκτρικό όχημα πόλης, πραγματοποιείται μέσω της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων και θερμικού ισοδύναμου κυκλώματος που βασίζεται στη μέθοδο των συγκεντρωμένων παραμέτρων. Αρχικά, αναλύεται ένα παράδειγμα υπολογισμού των θερμοκρασιών σε στοιχειώδες θερμικό πρόβλημα, μέσω του οποίου ελέγχεται η ακρίβεια των αποτελεσμάτων της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων. Στη συνέχεια, με τη μέθοδο αυτή πραγματοποιείται η θερμική ανάλυση της μηχανής σε δισδιάστατη γεωμετρία, η οποία είναι πολύ ακριβής με λεπτομερειακά αποτελέσματα, κάνοντας χρήση κατάλληλων οριακών συνθηκών, της γεωμετρίας και των θερμικών χαρακτηριστικών των υλικών.Για την ταχύτερη επίλυση του προβλήματος, με μικρότερη υπολογιστική πολυπλοκότητα, αναπτύσσεται μοντέλο αναπαράστασης των θερμικών φαινομένων που βασίζεται σε θερμικό ισοδύναμο κύκλωμα συγκεντρωμένων παραμέτρων. Στη μέθοδο αυτή, το θερμικό μοντέλο του κινητήρα απλοποιείται και μέσω αυτού εξάγεται το ισοδύναμο κύκλωμα, του οποίου η επίλυση δεν απαιτεί πολύπλοκους μαθηματικούς υπολογισμούς. Παρέχεται, έτσι, ένας γρήγορος τρόπος προσομοίωσης της θερμικής συμπεριφοράς της υπό εξέταση μηχανής. Και σε αυτήν την περίπτωση, τα αποτελέσματα συγκρίνονται με πειραματικές μετρήσεις σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας του κινητήρα και αποδεικνύεται ότι συμφωνούν ικανοποιητικά.Η εργασία αυτή συγκρίνει τις δυο εναλλακτικές μεθόδους για τη θερμική μελέτη ενός κινητήρα μονίμων μαγνητών ως προς την ακρίβεια και την ταχύτητα εξαγωγής των αποτελεσμάτων. Έμφαση δίνεται στην εξέταση τόσο των τιμών της μεταβατικής όσο και της μόνιμης κατάστασης, με την εξαγωγή διαγραμμάτων σύγκρισης των μεθόδων για διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας του κινητήρα. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από την προτεινόμενη μέθοδο του θερμικού ισοδύναμου κυκλώματος συγκεντρωμένων παραμέτρων αναδεικνύουν την καταλληλότητα του για χρήση του σε συνδυασμένη επίλυση του θερμικού προβλήματος με το ηλεκτρικό μέρος του συστήματος ηλεκτρικής κίνησης.