Σχεδιασμός Κινητήρα με Δρομέα Πολλαπλών Μονίμων Μαγνητών για Ηλεκτρικό Όχημα

Abstract

Η παρούσα εργασία επιχειρεί τη σχεδίαση ενός κινητήρα μονίμων μαγνητών για εφαρμογές ηλεκτρικών οχημάτων εφαρμόζοντας τεχνικές βελτιστοποίησης γεωμετρίας με κύριο κριτήριο τη μείωση των απωλειών. Σκοπός είναι η επίτευξη της επιθυμητής επίδοσης με κατά το δυνατόν αυξημένη απόδοση του κινητήρα και ταυτόχρονη μείωση της κυμάτωσης της ροπής. Επιπλέον κεντρικό στόχο αποτελεί η δημιουργία μίας ολοκληρωμένης μεθοδολογίας μέσω της οποίας μπορεί να σχεδιαστεί ένας κινητήρας μονίμων μαγνητών βασισμένος στις προδιαγραφές της εκάστοτε εφαρμογής. Συγκεκριμένα η εργασία περιλαμβάνει τα εξής στάδια: προκαταρκτική σχεδίαση με κλασσικές εξισώσεις, στη συνέχεια οριστική σχεδίαση μέσω ανάπτυξης κατάλληλου παραμετροποιημένου μοντέλου προσομοίωσης, το οποίο επιτρέπει βελτιστοποίηση της γεωμετρίας του και επιλογή της προτεινόμενης διαμόρφωσης μετά από σχολιασμό - σύγκριση των αποτελεσμάτων που προέκυψαν.

Αρχικά επιχειρείται εισαγωγική επισκόπηση των συστημάτων ηλεκτρικής κίνησης με αναφορά στα διάφορα είδη μηχανών που χρησιμοποιούνται. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στους σύγχρονους κινητήρες καθώς στην κατηγορία αυτή ανήκει ο κινητήρας δρομέα μονίμων μαγνητών που μελετάται στη συνέχεια. Περιγράφονται εκτενώς οι διαδικασίες που υιοθετήθηκαν κατά την προκαταρκτική σχεδίαση προκειμένου να προσδιοριστούν τα κύρια χαρακτηριστικά διαμόρφωσης του κινητήρα. Μετά την προκαταρκτική σχεδίαση πραγματοποιείται η οριστική σχεδίαση της μηχανής χρησιμοποιώντας παραμετρική μεταβολή των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της.

Αφού επιλεγεί η αρχική γεωμετρία περιγράφεται η διαδικασία της πεδιακής ανάλυσης με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων για το μαγνητοστατικό πρόβλημα που εξετάζεται. Μέσω των αποτελεσμάτων που προκύπτουν για τα κύρια στοιχεία λειτουργίας που συμβάλλουν στη συνάρτηση κόστους επιλέγεται ο προτεινόμενος κινητήρας της παρούσας εργασίας. Τα στοιχεία αυτά είναι η μηχανική ισχύς και η αντίστοιχη ροπή, η κυμάτωση ροπής, οι απώλειες, ο βαθμός απόδοσης, η ηλεκτρεγερτική δύναμη και η αρμονική της παραμόρφωση.

Στο τελικό στάδιο βελτιστοποίησης της γεωμετρίας της μηχανής θεωρήθηκαν εναλλακτικές ανταγωνιστικές διαμορφώσεις δρομέα πολλαπλών μονίμων μαγνητών. Η προτεινόμενη γεωμετρία προέκυψε χρησιμοποιώντας τεχνικές πολυκριτιριακής βελτιστοποίησης γεωμετρίας με μέτωπα Pareto προκειμένου να επιτευχθεί κατάλληλος συμβιβασμός μεταξύ των κριτηρίων που συμβάλλουν στην αντικειμενική συνάρτηση κόστους.

Στη μεθοδολογία που αναπτύχθηκε χρησιμοποιήθηκαν το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων FEMM, το λογισμικό MATLAB καθώς και το λογισμικό βελτιστοποίησης HEEDS.