Σχεδίαση Και Βελτιστοποίηση Κινητήρα Μονίμων Μαγνητών Για Εφαρμογή Ηλεκτροπρόωσης Πλοίου

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη σχεδίαση και βελτιστοποίηση γεωμετρίας ενός σύγχρονου κινητήρα επιφανειακών μονίμων μαγνητών για εφαρμογή σε συστήματα αζιμουθιακών προωστήριων μηχανισμών πλοίου. Συγκεκριμένα, πρόκειται για ένα σύστημα Azipod και αφορά εξωλέμβιες μονάδες πρόωσης πλοίων, στις οποίες ο κινητήρας βρίσκεται έξω από το κύτος, έχει δυνατότητα περιστροφής γύρω από τον εαυτό του και ο άξονας του είναι απευθείας συνδεδεμένος στην προπέλα. Η εργασία σε πρώτο στάδιο προσδιορίζει τις προδιαγραφές που χρειάζονται λαμβάνοντας υπόψιν τους περιορισμούς της εφαρμογής, και σε δεύτερο στάδιο προχωρά στην σχεδίαση και βελτιστοποίηση της γεωμετρίας του με κύριο σκοπό την αύξηση της επίδοσης, με ταυτόχρονη θεώρηση κριτηρίων υψηλής απόδοσης και ποιότητας ισχύος. Οι κινητήρες που χρησιμοποιούνται στη συγκεκριμένη εφαρμογή χαρακτηρίζονται από πολύ υψηλή ισχύ (της τάξης των 4-5 MW), χαμηλή ταχύτητα περιστροφής (της τάξεως των 200 σ.α.λ.) και πολύ υψηλή απόδοση (λόγω του μεγάλου μεγέθους η θεωρητική απόδοση κυμαίνεται στο 98%).Αρχικά γίνεται βιβλιογραφική διερεύνηση των δυνατοτήτων, των περιορισμών και των επιλογών που υπάρχουν στην ηλεκτροπρόωση πλοίων. Μετά από μια σύντομη περιγραφή των χαρακτηριστικών των κινητήρων μονίμων μαγνητών, ακολουθεί η ανάλυση των πλεονεκτημάτων της εφαρμογής της ηλεκτροπρόωσης σε πλοία.Έπειτα εξηγείται αναλυτικά η διαδικασία προκαταρκτικής σχεδίασης του κινητήρα. Αυτή περιλαμβάνει τις αναλυτικές σχέσεις της κλασικής σχεδίασης, την επιλογή των υλικών, την επιλογή της γεωμετρίας δρομέα και την κατανομή τυλίγματος. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην εξήγηση της επιλογής μη επικαλυπτόμενου συγκεντρωμένου τυλίγματος διπλής στρώσης.Τελικά, γίνεται η βελτιστοποίηση της γεωμετρίας του κινητήρα, η οποία βασίζεται στην παραμετροπoιημένη σχεδίαση και την χρήση λογισμικού ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων (βιβλιοθήκη εντολών OctaveFEMM του λογισμικού FEMM για το MATLAB). Πραγματοποιείται εκτεταμένη ανάλυση ευαισθησίας για αρκετές μεταβλητές σχεδίασης που επηρεάζουν σημαντικά τα λειτουργικά στοιχεία του κινητήρα, ενώ λαμβάνονται υπόψη τρεις διαφορετικές συνθήκες φόρτισης. Μετά την επιλογή της βέλτιστης γεωμετρίας, υπολογίζονται τα χαρακτηριστικά επίδοσης και απόδοσης της.