Ανάπτυξη Κώδικα Εξελικτικής Βελτιστοποίησης Και Εφαρμογή Στη Σχεδίαση Ηλεκτρικών Μηχανών Μόνιμων Μαγνητών

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός στοχαστικού αλγόριθμου βελτιστοποίησης γεωμετρίας και η εφαρμογή του σε ηλεκτρικές μηχανές μόνιμων μαγνητών που προορίζονται για χρήση στην αεροπορική τεχνολογία. Η χρήση ηλεκτρικών μηχανών σε νέες εφαρμογές καθιστά ολοένα και πιο επιβεβλημένη την ανάγκη ανάπτυξης εξειδικευμένων τεχνικών βελτιστοποίησης της σχεδίασής τους. Ιδιαίτερα η χρήση ηλεκτρικών κινητήρων ως ενεργοποιητών (actuators) σε αεροπορικές εφαρμογές, με σκοπό την αντικατάσταση των υφιστάμενων υδραυλικών συστημάτων δημιουργεί σημαντικές προκλήσεις για την επίτευξη κατάλληλων συμβιβασμών μεταξύ του βάρους, της επίδοσης των κινητήρων, της απόδοσής τους, καθώς και της ποιότητας ισχύος που παράγουν. Στη βιβλιογραφία έχουν προταθεί πολλές μέθοδοι βασισμένες στην ανάλυση ευαισθησίας των παραμέτρων για τη βελτίωση των χαρακτηριστικών των ηλεκτρικών μηχανών και ιδιαίτερα των Σύγχρονων Μηχανών Επιφανειακών Μόνιμων Μαγνητών. Ωστόσο, οι μέθοδοι αυτές περιορίζονται συχνά στην ανάλυση κάθε μίας μεταβλητής ξεχωριστά ή στην εύρεση του καλύτερου δυνατού συνδυασμού δύο μεταβλητών. Με τον τρόπο αυτό όμως δεν επιτυγχάνεται συνήθως η ολικά βέλτιστη γεωμετρία αλλά ένα τοπικό βέλτιστο. Η παρούσα εργασία προτείνει τον αλγόριθμο μονοκριτηριακής Βελτιστοποίησης Σμήνους Σωματιδίων (Particle Swarm Optimization - PSO), ο οποίος επιτρέπει τον προσδιορισμό προσεγγιστικά της ολικά βέλτιστης γεωμετρίας, ελαχιστοποιώντας μια σύνθετη αντικειμενική συνάρτηση κόστους. Η συνάρτηση αυτή λαμβάνει υπόψη της βασικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά της μηχανής και τα αντίστοιχα λειτουργικά χαρακτηριστικά που προκύπτουν. Η επιλογή του συγκεκριμένου εξελικτικού αλγορίθμου έγινε κυρίως λόγω της ταχείας σύγκλισής του στη συγκεκριμένη εφαρμογή σε σύγκριση με άλλες μεθόδους βελτιστοποίησης.Ο αλγόριθμος PSO υλοποιήθηκε και στη συνέχεια ελέγχθηκε η ικανότητα βελτιστοποίησης και η ταχύτητα σύγκλισής του με τη χρήση τυπικών συναρτήσεων αναφοράς. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος καλεί λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων για να προσομοιώσει τη λειτουργία του κινητήρα. Η προσομοίωση λαμβάνει ως δεδομένα εισόδου όλες τις μεταβλητές γεωμετρίας και επιστρέφει τα αποτελέσματα εκείνα με βάση τα οποία διαμορφώνεται η συνάρτηση κόστους. Συγκεκριμένα επιστρέφει τη μέση ηλεκτρομαγνητική ροπή, την κυμάτωση της ροπής, το συντελεστή ολικής αρμονικής παραμόρφωσης της αντι-ηλεκτρεγερτικής δύναμης (ΗΕΔ) και τέλος την απόδοση του κινητήρα.Τα αποτελέσματα που προκύπτουν, συγκρίνονται στη συνέχεια με την αρχική σχεδίαση του κινητήρα που προέκυψε μέσω της προκαταρκτικής σχεδίασης. Επιβεβαιώνεται ότι οι γεωμετρίες που προέκυψαν από την εκτέλεση του αλγορίθμου διαθέτουν σημαντικά βελτιωμένα λειτουργικά χαρακτηριστικά σε σχέση με τις αρχικές. Το γεγονός αυτό αποδεικνύει ότι αυτή η προτεινόμενη διαδικασία βελτιστοποίησης μπορεί να οδηγήσει στο επιθυμητό αποτέλεσμα, χωρίς μάλιστα να απαιτείται υπερβολικός υπολογιστικός χρόνος.