Σχεδίαση Και Ανάλυση Λειτουργίας Κινητήρα Εσωτερικών Μονίμων Μαγνητών Διπλής Στρώσης Για Εφαρμογές Ηλεκτρικών Οχημάτων

Abstract

Κύριο αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η σχεδίαση ενός ηλεκτρικούκινητήρα Eσωτερικών Mονίμων Mαγνητών (E.M.M.) διπλής στρώσηςγιαεφαρμογές ηλεκτρικών οχημάτων (Electric Vehicle). Η μεθοδολογία σχεδίασηςβασίστηκε σε δισδιάστατη πεδιακή ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων, ενώ ηλειτουργία του κινητήρα προσομοιώθηκε υπό τεχνική διανυσματικού ελέγχου,προκειμένου να επιβεβαιωθεί η καταλληλότητα της προτεινόμενης διαμόρφωσηςκινητήρα για τη δεδομένη κατηγορία προβλημάτων.Αρχικά πραγματοποιήθηκε βιβλιογραφική διερεύνηση των μηχανών E.M.M.όσον αφορά τα χαρακτηριστικάλειτουργίαςκαι την κυκλωματικήμοντελοποίηση τους. Κατόπιν διερευνήθηκαν τα κυριότερα πλεονεκτήματα καιμειονεκτήματα των μηχανών E.M.M., ενώ εξετάσθηκαν οι δια φορετικέςγεωμετρικές τους διαμορφώσεις σε συνδυασμό με τις αντίστοιχες εφαρμογές.Ως δεύτερο βήμα, επιλέχθηκε ως εφαρμογή, ένα μικρό ηλεκτρικό οχήμα πόλης,και εξήχθησαν οι βασικές προδιαγραφές της προς σχεδίαση μηχανής.Ακολούθησε η προκαταρκτική σχεδίασ η του κινητήρα, έτσι ώστε να προκύψει ηβασική διαστασιολόγηση της μηχανής, με βάση εμπειρικές και αναλυτικέςσχέσεις. Ακολούθως πραγματοποιήθηκε η τελική σχεδίαση της μηχανής, με τηνανάπτυξη μιας παραμετροποιημένης γεωμετρικής αναπαράστασης του κινητήρασε συνδυασμό με ένα δισδιάστατο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων . Hπαραμετροποιημένη σχεδίαση πραγματοποιήθηκε για δύο διαφορετικέςτοπολογίες στάτη: Μία για συγκεντρωμένο τύλιγμα διπλής στρώσης ( Q=6) καιμία για διανεμημένο τύλιγμα με 3 αύλακες / πόλο και φάση (Q=36). Τα δύομοντέλα υποβλήθηκαν σε σύγκριση ως προς την επίδοση και την απόδοση, με τοδιανεμημένο τύλιγμα να επιλέγεται για την τελική σχεδίαση.Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκ ε ανάλυση ευαισθησίας, με στόχο τηβελτιστοποίηση της γεωμετρίας του στάτη, του μαγνήτη, καθώς και τωνφραγμάτων ροής αέρα. Η οριστική γεωμετρία, όπως προέκυψε μετά την ανάλυσηευαισθησίας, εμφανίζει μειωμένη κυμάτωση ροπής και αρμονική παραμόρφωσητάσης, σε σχέση με την αρχική.Τέλος, προσομοιώθηκε η οδήγηση της σχεδιασμένης μ ηχανής υπό διανυσματικόέλεγχο, τροποποιώντας ένα υπάρχον αρχικό μοντέλο ελέγχου , ώστε ναλαμβάνονται υπόψιν οι μεταβολές των αυτεπαγωγών ευθέως και εγκάρσιουάξονα ( L d ,L q ) συναρτήσει του ρεύματος οπλισμού. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκεένταξη δεδομένων κύκλων οδήγησης στο αρχικό μοντέλο, και διενεργήθηκανπροσομοιώσεις τόσο για αστικό όσο και για υπεραστικό κύκλο. Κατόπιν,πραγματοποιήθηκε πεδιακή ανάλυση της μηχανής σε λειτουργία εξασθέν ησηςπεδίου, με τη βοήθεια του προγράμματος Femm.Κατά την εκπόνηση της παρούσας εργασίας, χρησιμοποιήθηκαν τα εργαλείαλογισμικού Matlab/Simulink και FEMM.