Βελτιστοποίηση γεωμετρίας για διαφορετικά υλικά μονίμων μαγνητών σε κινητήρες για ηλεκτρικά οχήματα

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται και μελετά σε βάθος το θέμα της Βελτιστοποίησης Ηλεκτρικού Κινητήρα σε εφαρμογή Ηλεκτροκίνησης, τόσο σε επίπεδο επιλογής κατάλληλου είδους μαγνητικών υλικών όσο και βελτιστοποίησης της γεωμετρίας. Αυτό γίνεται ,έχοντας λάβει υπόψιν τους κινδύνους του φαινομένου της απομαγνήτισης, όταν η μηχανή βρίσκεται σε κατάσταση σφάλματος. Αρχικά, παρουσιάζεται μια σύντομη επισκόπηση της τεχνολογίας ηλεκτρικών κινητήρων και της εφαρμογής τους στην ηλεκτροκίνηση. Αναλύονται διάφορες αρχές λειτουργίας, είδη τυλίγματος, τοπολογίες μαγνητών και με αυτό τον τρόπο προσδιορίζονται οι επιλογές χαρακτηριστικών του κινητήρα που μελετάται και εξετάζεται κατά τη διάρκεια της εργασίας. Στο θεωρητικό κεφάλαιο παρουσιάζεται μία περιεκτική ανασκόπηση της θεωρίας της απομαγνήτισης. Αρχικά δίνονται μέθοδοι προσδιορισμού της καμπύλης B-H των μαγνητών με βάση τα δεδομένα του κατασκευαστή. Στη συνέχεια περιγράφεται αναλυτικά η εξάρτηση της απομαγνήτισης από τη γωνία που σχηματίζει το εξωτερικό πεδίο με τον ορθό άξονα του μαγνήτη. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται, κυρίως, στις μεθόδους και στρατηγικές υπολογισμού της απομαγνήτισης μέσω των συναρτήσεων μετεπεξεργασίας της ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων. Ακολουθεί, η περιγραφή και η χρήση αναλυτικών μεθόδων προκαταρκτικής σχεδίασης ηλεκτρικών κινητήρων με βάση το νέο ευρωπαϊκό οδηγικό κύκλο (NEDC). Με αυτές τις μεθόδους προσδιορίζονται προσεγγιστικά οι διαστάσεις καθώς και άλλα χαρακτηριστικά που οφείλει να έχει η μηχανή για να αποδίδει τις επιθυμητές επιδόσεις όπως η ροπή, η ταχύτητα περιστροφής, η Back EMF και το ονομαστικό ρεύμα. Στη συνέχεια, σχεδιάζονται και παρατίθενται οι αλγόριθμοι της προ-επεξεργασίας και μετεπεξεργασίας της ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων στο προγραμματιστικό περιβάλλον του MATLAB. Οι αλγόριθμοι αυτοί και η άρρηκτη διασύνδεσή τους, οδηγούν στον αρκετά λεπτομερή υπολογισμό των επιδόσεων και των χαρακτηριστικών καθώς επίσης και της απομαγνήτισης σε οποιαδήποτε λειτουργική κατάσταση της μηχανής. Τέλος, σχεδιάζεται και εφαρμόζεται η παράλληλη επεξεργασία των αλγορίθμων πεπερασμένων στοιχείων, με στόχο την παράλληλη ανάλυση μεγάλου πλήθος μηχανών. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν, εφαρμόζονται σε γεωμετρία με ένθετους, ακτινικούς και τύπου V μαγνήτες με σκοπό τον υπολογισμό των επιδόσεων, χαρακτηριστικών και της συμπεριφοράς της, στην απομαγνήτιση. Η ανάλυση της απομαγνήτισης έγινε με βάση το περιοριστικό μοντέλο και ελέγχθηκε η εξάρτησή της από την τιμή του ρεύματος στάτη, τη γωνία του ρεύματος και τη θερμοκρασία των μαγνητών. Η παραπάνω ανάλυση έγινε τοποθετώντας κάθε φορά ένα είδος μαγνήτη στην ίδια γεωμετρία για τρία διαφορετικά είδη μαγνητικών υλικών. Ακόμη, χρησιμοποιήθηκε και συνδυασμός των κατάλληλων ειδών μαγνητών στην ίδια γεωμετρία. Σ’ αυτή τη περίπτωση αναλύθηκε η εξάρτηση της απομαγνήτισης ως προς τη θερμοκρασία από τα χαρακτηριστικά της γεωμετρίας. Μετά την ανάδειξη της βέλτιστης γεωμετρίας , ακολούθησε τέλος, ανάλυση του πάχους των μαγνητικών υλικών και της αντοχής που προσδίδεται απέναντι στην εξάρτηση της απομαγνήτισης ως προς τη θερμοκρασία. Η εργασία ολοκληρώνεται με την τοποθέτηση των συμπερασμάτων και τις δυνατότητες εξέλιξης και εμβάθυνσης των ερευνητικών θεμάτων που πραγματεύεται.