Πολυκριτηριακή Βελτιστοποίηση Κινητήρα Μόνιμων Μαγνητών Για Πρόωση Πλοίου

Abstract

Η παρούσα εργασία, πραγματεύεται μια ολοκληρωμένη προσέγγιση σχεδιασμού και βελτιστοποίησης, κινητήρων μόνιμων μαγνητών, για χρήση σε εφαρμογές ηλεκτρικής πρόωσης και εν προκειμένω, ιστιοφόρου σκάφους.Αρχικά, έλαβε χώρα μια εκτενής βιβλιογραφική αναζήτηση επί των υφιστάμενων θερμικών κινητήρων, των συστημάτων μετάδοσης, των συστημάτων πρόωσης και των τοπολογιών των. Επίσης πραγματοποιήθηκε μια αναζήτηση επί των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των ιστιοφόρων γαστρών και των τυχόντων διαφορετικών αναγκών που εκπορεύονται αυτών. Συμπληρωματικά, αναζητήθηκε στη σχετική βιβλιογραφία, η υδροδυναμική συμπεριφορά των συστημάτων πρόωσης και οι απαιτήσεις των τόσο μέσω της σχετικής θεωρίας, όσο και μέσω εξειδικευμένου προγράμματος υδροδυναμικής (Free!ship).Επόμενο βήμα, ήταν η μελέτη των ήδη υπάρχοντων ηλεκτρικών συστημάτων πρόωσης, των κινητήρων, των συστημάτων οδήγησης, μπαταριών και γενικά της συνολικής ηλεκτρικής εγκατάστασης. Επίσης δόθηκε ιδιαίτερη προσοχή στις υπάρχουσες τοπολογίες καθώς και νέες τάσεις. Απόρροια των παραπάνω, ήταν οι βασικές προδιαγραφές του κινητήρα προς σχεδίαση.Εν συνεχεία, βάσει των παραπάνω προδιαγραφών, αναζητήθηκαν στη σχετική βιβλιογραφία οι πιθανές εναλλακτικές λύσεις σχεδίασης κινητήρα (τύπος κινητήρα, τυλίγματος κοκ). Η επιλεχθείσα τοπολογία ήταν σύγχρονος κινητήρας επιφανειακών μόνιμων μαγνητών, με συγκεντρωμένο τύλιγμα διπλής στρώσης κλασματικού βήματος. Κατόπιν έλαβε χώρα η προκαταρκτική σχεδίαση θεωρώντας τυπικές τιμές ηλεκτρικών και μαγνητικών φορτίσεων. Επιπρόσθετα, δημιουργήθηκε η απαραίτητη για την συνέχεια παραμετρική σχεδίαση του κινητήρα, όπου δύναται να μεταβληθεί το σύνολο των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του κινητήρα. Ταυτόχρονα υπολογίζονται και όλα τα απαραίτητα μεγέθη για την αξιολόγηση του κινητήρα (όπως ροπή, κυμάτωση ροπής, αναπτυσσόμενη αντί-ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ), αρμονική παραμόρφωση αντί-ΗΕΔ, απώλειες).Ακολούθως, κατόπιν βιβλιογραφικής αναζήτησης των διάφορων μεθόδων βελτιστοποίησης, επιλέχθηκε ο εξελικτικός αλγόριθμος ισχύος Pareto (SPEA-Strength Pareto Evolutionary Algorithm). Πρόκειται για πολυκριτηριακή μέθοδο βελτιστοποίησης. που ανήκει στην κατηγορία των εξελικτικών αλγορίθμων και προτιμήθηκε για την ικανότητα σύγκλισης, και για το εύρος λύσεων που προσφέρει. Ο αλγόριθμος υλοποιήθηκε σε προγραμματιστικό περιβάλλον MATLAB.Βάσει των επιθυμητών χαρακτηριστικών επίδοσης και απόδοσης του κινητήρα, δημιουργήθηκαν οι κατάλληλες αντικειμενικές συναρτήσεις και μέσω της διεπαφής MATLAB-FEMM έλαβε χώρα η βελτιστοποίηση του κινητήρα, από όπου λάβαμε το μέτωπο Pareto των λύσεων. Από αυτές μέσω επιπρόσθετων κριτηρίων λήφθηκε η καλύτερα συμβιβαστική λύση και η τελική γεωμετρία.Η επιλεχθείσα γεωμετρία αναλύθηκε ηλεκτρικά και θερμικά και καθορίστηκαν τα εκτιμώμενα, βασικά ηλεκτρικά και μηχανικά μεγέθη καθώς και ο τύπος ψύξης του κινητήρα.