ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΓΕΩΜΕΤΡΙΑΣ ΚΑΙ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΣΙΔΗΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΛΑΜΑΡΙΝΩΝ

Abstract

Η παρούσα εργασία επιχειρεί τη βελτιστοποίηση της γεωμετρίας ηλεκτρικού κινητήρα δρομέα εσωτερικών μονίμων μαγνητών και της διαμόρφωσής του με βάση τα χαρακτηριστικά των σιδηρομαγνητικών λαμαρινών. Πραγματοποιείται μελέτη μεταξύ κινητήρων με διαφορετικά χαρακτηριστικά τόσο από πλευράς γεωμετρίας όσο και από πλευράς σιδηρομαγνητικών υλικών που χρησιμοποιούνται στους πυρήνες. Η μελέτη πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων FEMM, σε συνδυασμό με το προγραμματιστικό περιβάλλον MATLAB στο οποίο έχουν γραφεί όλες οι συναρτήσεις για την παραμετρική σχεδίαση των κινητήρων, αλλά και για την επεξεργασία, καταγραφή και αναπαράσταση των αποτελεσμάτων. Στο πρώτο μέρος της εργασίας, παρουσιάζεται μία σύντομη θεωρητική σύγκριση μεταξύ των βασικών ειδών κινητήρων, με σκοπό να επεξηγηθεί η επιλογή του προς μελέτη τύπου κινητήρα. Αυτό επιτυγχάνεται επισημαίνοντας τις εκάστοτε εφαρμογές, για την εξυπηρέτηση των οποίων προτιμάται καθένα εκ των αναφερθέντων ειδών κινητήρων, ενώ διατυπώνεται και η αιτιολόγηση της επιλογής εκ μέρους του συγγραφέα της συγκεκριμένης διαμόρφωσης. Καταληκτικά, έχοντας επιλέξει ως αντικείμενο διερεύνησης τον κινητήρα μονίμων μαγνητών, παρατίθεται μία σύντομη περιγραφή των ενναλακτικών διαμορφώσεων αυτού. Στο δεύτερο μέρος αναλύονται τα βασικά λειτουργικά χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού κινητήρα μονίμων μαγνητών, όπως η παραγωγή του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου μέσω των τυλιγμάτων στάτη, αλλά και οι κύριες εξισώσεις του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στις οποίες βασίζεται η μελέτη των κινητήρων. Ακολούθως εξηγείται αναλυτικά η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων, μέσω της οποίας πραγματοποιείται η μοντελοποίηση. Τέλος περιγράφονται όλα τα μεγέθη που αποτελούν αντικείμενα μελέτης και επεξεργασίας στη συνέχεια, και ο τρόπος μέσω του οποίου συνάγονται τα σχετικά αποτελέσματα. Με βάση τα παραπάνω, παρουσιάζονται τα μεγέθη που χαρακτηρίζουν ποιοτικά και ποσοτικά τη λειτουργική συμπεριφορά του κινητήρα (επίδοση, απόδοση, ταλαντώσεις ροπής, αρμονική παραμόρφωση κ.α.) τα οποία μελετώνται εκτενώς στη συνέχεια. Στο τρίτο μέρος πραγματοποιείται η προκαταρκτική σχεδίαση του κινητήρα. Η διαδικασία αυτή αποτελεί προσεγγιστική θεώρηση γεωμετρίας που ικανοποιεί την επιθυμητή επίδοση και απόδοση του κινητήρα, μέσω βασικών ηλεκτρομαγνητικών σχέσεων. Ακολούθως περιγράφονται οι μεταβλητές που θα μελετηθούν. Η μελέτη αφορά μία πληθώρα κατασκευαστικών χαρακτηριστικών όπως: α) η επιλογή διαμόρφωσης των τυλιγμάτων του στάτη, συγκρίνοντας συγκεντρωμένα τυλίγματα διπλής στρώσεως χωρίς επικάλυψη των άκρων των πηνίων και κατανεμημένα τυλίγματα διπλής στρώσεως κλασματικού βήματος, β) οι συνδυασμοί Πόλων/Αυλάκων, γ) η γεωμετρία δοντιών στάτη, δ) η χωροθέτηση των μαγνητών στον δρομέα και ε) κύριες γεωμετρικές μεταβλητές των μαγνητικών κυκλωμάτων δρομέα και στάτη. Εν συνεχεία, στο τέταρτο μέρος, πραγματοποιείται η οριστική σχεδιαστική μελέτη του κινητήρα και η παραμετρική διερεύνηση με σκοπό τη βέλτιστη γεωμετρική διαμόρφωσή του. Η διαδικασία πραγματοποιείται ξεχωριστά για κατανεμημένα τυλίγματα κλασματικού βήματος και για συγκεντρωμένα τυλίγματα μη επικαλυπτόμενων άκρων, με σκοπό την ανάδειξη των πλεονεκτικών χαρακτηριστικών κάθε μίας τοπολογίας τυλιγμάτων. Η πολυκριτιριακή βελτιστοποίηση πραγματοποιείται μέσω ανάλυσης ευαισθησίας παραμέτρων. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η επιλογή τελικής γεωμετρίας για κάθε μία εκ των δύο μελετηθέντων διαμορφώσεων τυλιγμάτων, καθώς και η ανάδειξη ορισμένων σημαντικών χαρακτηριστικών τους. Στο πέμπτο μέρος περιλαμβάνεται η βελτιστοποίηση διαμόρφωσης του ηλεκτρικού κινητήρα εξετάζοντας διαφορετικά χαρακτηριστικά σιδηρομαγνητικών λαμαρινών. Παρουσιάζεται μία εκτενής ανάλυση των χαρακτηριστικών των διαφόρων ειδών σιδηρομαγνητικών λαμαρινών, από καθαρό σίδηρο, κράματα πυριτίου-σιδήρου καθώς και κοβαλτίου-σιδήρου, εξετάζοντας τον μαγνητικό κορεσμό, τις απώλειες πυρήνα, τη μηχανική αντοχή κ.α. Στη συνέχεια ακολουθεί σχεδιαστική συγκριτική μελέτη πληθώρας σιδηρομαγνητικών υλικών, τα οποία χρησιμοποιούνται στις δύο οριστικές γεωμετρίες ηλεκτρικών κινητήρων του προηγουμένου κεφαλαίου. Τέλος, στο έκτο μέρος της παρούσας εργασίας, μετά από ανακεφαλαίωση της μελέτης, αναφέροντας τα κυριότερα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα που προέκυψαν, παρατίθενται τα σημεία επιστημονικής συνεισφοράς καθώς και ορισμένες προτάσεις θεμάτων για περαιτέρω διερεύνηση.