Σχεδίαση Και Κατασκευή Κινητήρα Μονίμων Μαγνητών Για Πρότυπο Ηλεκτρικό Όχημα

Abstract

Η παρούσα εργασία επιχειρεί τη σχεδίαση ηλεκτρικού κινητήρα για εφαρμογή σε σύστημα ηλεκτρικής κίνησης οχήματος, χρησιμοποιώντας ως κύριο κριτήριο βελτιστοποίησης τη μείωση των απωλειών, του βάρους και του όγκου. Το όχημα για το οποίο σχεδιάζεται και κατασκευάζεται ο κινητήρας προορίζεται να συμμετάσχει σε ευρωπαϊκό διαγωνισμό πρότυπων μονοθέσιων οχημάτων οικονομικής μετακίνησης. Η εργασία σε ένα πρώτο βήμα προσδιορίζει τις προδιαγραφές των κύριων λειτουργικών χαρακτηριστικών του κινητήρα και σε ένα δεύτερο βήμα αναπτύσσει τη μελέτη σχεδίασης και διαμόρφωσης όλων των συνιστωσών του. Συγκεκριμένα, ο σύγχρονος κινητήρας μονίμων επιφανειακών μαγνητών χαρακτηρίζεται από χαμηλή ισχύ (~ 220 W), χαμηλή ταχύτητα περιστροφής ( ~ 300 Σαλ), και ταυτόχρονα πολύ υψηλή απόδοση (> 90%), με δυνατότητα παροχής υψηλής ροπής εκκινήσεως.Αρχικά, πραγματοποιείται μία σύντομη παρουσίαση του ηλεκτροκίνητου οχήματος ως εφαρμογή και των διαφορετικών συστημάτων κίνησης που υπάρχουν. Κατόπιν αυτού θα διερευνηθούν οι προδιαγραφές που θα πρέπει να έχει ο κινητήρας που θα κατασκευαστεί. Αυτές οι προδιαγραφές ορίζονται βάσει του οχήματος στο οποίο θα τοποθετηθεί, τον τρόπο με τον οποίο θα κινεί το αυτοκίνητο και της μορφής των ταχυτήτων και των επιταχύνσεων στον αγώνα. Βάσει των αποτελεσμάτων της προηγούμενης διαδικασίας θα επιχειρηθεί μία προκαταρκτική σχεδίαση με την χρήση θεωρητικών σχέσεων για τον προσδιορισμό των βασικών διαστάσεων του κινητήρα. Αργότερα θα γίνει η επεξήγηση των μεταβλητών που επιλέχθηκαν για την παραμετροποιημένη σχεδίαση και του προγράμματος που δημιουργήθηκε προκειμένου να γίνονται οι επιθυμητές προσομοιώσεις των εκάστοτε σχεδιαζόμενων γεωμετριών και οι αναλύσεις ευαισθησίας αυτών. Στην επόμενη παράγραφο, αφού οριστικοποιηθούν μέσω προσομοιώσεων οι βασικές διαστάσεις του κινητήρα, θα ξεκινήσει η διερεύνηση της βέλτιστης διαμόρφωσης ανάμεσα από πολλούς διαφορετικούς συνδυασμούς αυλακών/πόλων με συγκεντρωμένα τυλίγματα μονής και διπλής στρώσης συμπεριλαμβανομένης και της γεωμετρίας άνισων δοντιών, εξετάζοντας ένα σύνολο μεγεθών που περιλαμβάνουν την μέγιστη ροπή που αποδίδει ο κινητήρας, την κυμάτωση αυτής, την αρμονική παραμόρφωση της τάσης, την απόδοση, το βάρος και άλλα. Κατόπιν αυτών, θα επιλεχθούν οι ιδανικότερες διαμορφώσεις και αυτές θα εξερευνηθούν περαιτέρω χρησιμοποιώντας αναλύσεις ευαισθησίας, πάνω στα περισσότερα θεωρητικά μετρήσιμα μεγέθη που απαριθμήθηκαν και πρωτύτερα. Εκτός αυτού, θα επιχειρηθεί η ανάλυση ευαισθησίας σε δύο λειτουργικά σημεία και θα συνεκτιμηθεί η αναγκαιότητα της. Ιδιαίτερη προσοχή θα δοθεί και στην γεωμετρία στάτη με άνισα δόντια, στην οποία θα γίνει εκτενής ανάλυση. Συνεπώς θα γίνει μία σύγκριση σε όλα τα επίπεδα και συνυπολογίζοντας παράγοντες όπως η πολυπλοκότητα της κατασκευής, η αξιοπιστία κ.α., θα γίνει η τελική επιλογή της βέλτιστης γεωμετρίας.Τέλος, θα γίνει μία παράθεση των σχεδίων και των μοντέλων που χρησιμοποιήθηκαν κατά την διαδικασία της συναρμολόγησης του κινητήρα καθώς και φωτογραφίες από το τελικό αποτέλεσμα. Στις προσομοιώσεις που έγιναν χρησιμοποιήθηκαν τα λογισμικά πεπερασμένων στοιχείων FEMM και αριθμητικής ολοκλήρωσης διαφορικών εξισώσεων MATLAB.