Σχεδίαση Και Ανάλυση Κινητήρα Μονίμων Μαγνητών 16kw Για Εφαρμογή Ηλεκτροκίνησης Και Συγκριτική Μελέτη Δύο Εναλλακτικών Γεωμετριών Δρομέα

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη σχεδίαση σύγχρονου κινητήρα μονίμων μαγνητών για εφαρμογή ηλεκτρικής κίνησης, με αντικειμενικό σκοπό την επίτευξη της επιθυμητής επίδοσης βελτιστοποιώντας την απόδοση, την κυμάτωση της ροπής και τον συντελεστή αρμονικής παραμόρφωσης (T.H.D.) της επαγόμενης τάσης. Συγκεκριμένα, ο κινητήρας αυτός προορίζεται για το ηλεκτρικό κινητήριο σύστημα μικρού μονοθέσιου οχήματος με απαίτηση ισχύος 16 kW ώστε να επιτυγχάνει ονομαστική ταχύτητα 70 km/h και δυνατότητα παροχής κατά το δυνατόν υψηλής ροπής εκκίνησης.Αρχικά, επιχειρείται βιβλιογραφική διερεύνηση των διαθέσιμων τοπολογιών σύγχρονων μηχανών μόνιμου μαγνήτη, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στις μηχανές ακτινικής ροής που αποτελούν συχνά χρησιμοποιούμενη κατηγορία μηχανών μονίμων μαγνητών. Επίσης, προσδιορίζονται οι γεωμετρικές διαμορφώσεις οι οποίες κρίνονται καταλληλότερες για την εφαρμογή αυτή και αναλύονται τα γενικά χαρακτηριστικά τους.Στη συνέχεια, περιγράφονται οι δημοφιλέστερες μέθοδοι βελτιστοποίησης, οι οποίες εφαρμόζονται κατά τη σχεδίαση ηλεκτρικών μηχανών. Οι μέθοδοι αυτές χρησιμοποιούνται προκειμένου να προσδιορισθούν ευκολότερα οι γεωμετρικές παράμετροι που ικανοποιούν τα κριτήρια σχεδίασης με βάση τα ονομαστικά χαρακτηριστικά της μηχανής καθώς και οι ηλεκτρικές παράμετροι που ικανοποιούν τα κριτήρια βέλτιστης λειτουργίας σε περιπτώσεις εφαρμογών με πολλές λειτουργικές καταστάσεις.Η σχεδίαση των ηλεκτρικών μηχανών στηρίζεται σε ορισμένες αρχές και τεχνικές, οι οποίες περιγράφουν και επιτρέπουν τη μελέτη των ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων που συμβαίνουν κατά τη λειτουργία τους. Για την κατανόηση της μεθοδολογίας σχεδίασης, οι θεωρητικές αυτές αρχές περιγράφονται εκτενώς καθώς και τα φαινόμενα που επηρεάζουν την επίδοση και την απόδοση της μηχανής.Ακολούθως, αναπτύσσεται η διαδικασία σχεδίασης της μηχανής, η οποία περιλαμβάνει ένα πρώτο στάδιο προκαταρκτικής σχεδίασης, βασισμένο σε αναλυτικές σχέσεις, και ένα δεύτερο στάδιο οριστικής σχεδίασης, που χρησιμοποιεί αριθμητικές τεχνικές επίλυσης των εξισώσεων του μαγνητικού πεδίου. Κατά το πρώτο στάδιο της προκαταρτικής σχεδίασης, προσδιορίζονται οι διαστάσεις του διακένου και των βασικών γεωμετρικών διαμορφώσεων του στάτη και του δρομέα της μηχανής, η οποία προορίζεται για τη συγκεκριμένη εφαρμογή, θεωρώντας κατάλληλες ειδικές φορτίσεις στα τυλίγματα και τον πυρήνα.Η οριστική σχεδίαση επιτυγχάνεται εφαρμόζοντας τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων για την επίλυση των εξισώσεων του μαγνητικού πεδίου σε συνδυασμό με κατάλληλες τεχνικές βελτιστοποίησης. Στο στάδιο αυτό διερευνώνται δύο εναλλακτικές τοπολογίες δρομέων μονίμων μαγνητών, με επιφανειακή και εγκάρσια χωροθέτηση των μονίμων μαγνητών αντίστοιχα, οι οποίες εμφανίζουν συμπληρωματικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα ως προς την ικανότητα υπερφόρτισης και τη δυνατότητα εξασθένισης του πεδίου. Οι τοπολογίες αυτές βελτιστοποιήθηκαν μέσω ανάλυσης ευαισθησίας των γεωμετρικών παραμέτρων τους και συγκρίθηκαν οι δύο βέλτιστες γεωμετρίες που προέκυψαν ως προς την επίδοση και την απόδοσή τους. Με τον τρόπο αυτό αναδείχθηκε ότι η προτεινόμενη τοπολογία εγκαρσίων μαγνητών εμφανίζει συνολικά μικρό προβάδισμα έναντι της μελετηθείσας επιφανειακών μαγνητών για τη συγκεκριμένη εφαρμογή.Στους αριθμητικούς κώδικες που αναπτύχθηκαν για τη συγκριτική διερεύνηση των δύο τοπολογιών ηλεκτρικών μηχανών μονίμων μαγνητών χρησιμοποιήθηκαν τα λογισμικά FEMM και MATLAB.