Σχεδίαση και βελτιστοποίηση μηχανών μονίμων μαγνητών με βάση τα χαρακτηριστικά της σιδηρομαγνητικής λαμαρίνας

Abstract

Η παρούσα εργασία μελετά την επίδραση διαφορετικών σιδηρομαγνητικών υλικών πυρήνα στα χαρακτηριστικά επίδοσης και απόδοσης των σύγχρονων μηχανών μονίμων μαγνητών, μέσω των αποτελεσμάτων της ανάλυσης ευαισθησίας γεωμετρικών παραμέτρων που διεξάγεται για κάθε υλικό. Αρχικά, παρουσιάζεται μια σύντομη επισκόπηση της τεχνολογίας των ηλεκτρικών μηχανών που χρησιμοποιούνται συνήθως στα σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής κίνησης, ενώ επιλέγεται η διαμόρφωση των σύγχρονων μηχανών επιφανειακών μονίμων μαγνητών που θα μελετηθεί παρακάτω. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται και συγκρίνονται τα προς μελέτη σιδηρομαγνητικά υλικά (SiFe 3%, CoFe, NiFe, SiFe 6.5%), ενώ ακόμα παρουσιάζονται πρακτικά ζητήματα που προκύπτουν κατά την επεξεργασία των λαμαρινών για την κατασκευή πυρήνων. Ακόμα, αναλύεται το θεωρητικό υπόβαθρο και οι μηχανισμοί που συνιστούν τις απώλειες πυρήνα, παρουσιάζονται και συγκρίνονται τα σημαντικότερα μοντέλα απωλειών πυρήνα που έχουν προταθεί έως σήμερα στη βιβλιογραφία και επιλέγεται το καταλληλότερο, ενώ υλοποιείται εργαλείο υπολογισμού των συντελεστών υστέρησης και δινορρευμάτων. Κατά την υλοποίηση του επιλεγμένου μοντέλου απωλειών πυρήνα, μελετώνται και συγκρίνονται οι γεωμετρικοί τόποι μεταβολής του διανύσματος της μαγνητικής επαγωγής στα διάφορα σημεία του στάτη, για κάθε υλικό. Μετά την προκαταρκτική σχεδίαση μηχανών μέσω αναλυτικών εξισώσεων για κάθε υλικό, ακολουθεί η χρήση αλγορίθμων παραμετρικής σχεδίασης και ανάλυσης γεωμετριών μηχανών, προκειμένου να δημιουργηθεί μια «δεξαμενή» διαθέσιμων μηχανών. Η ανάλυση ευαισθησίας παράγει περί τις 3240 εναλλακτικές γεωμετρίες για κάθε υλικό και ο στόχος της είναι να προσδιοριστούν οι βέλτιστες μηχανές βάση των κριτηρίων των ελάχιστων συνολικών απωλειών, της μέγιστης απόδοσης και της ελάχιστης μάζας. Βάση των βέλτιστων διατομών του συμβατικού ατσαλιού, υπολογίζονται οι μηχανές αναφοράς των υπολοίπων υλικών, μέσω προσαρμογής του ενεργού μήκους των βέλτιστων διατομών στην επιθυμητή ροπή, το οποίο και αποτελεί συνήθη τεχνική απλούστευσης της διαδικασίας βελτιστοποίησης σε επίπεδο βιομηχανίας. Τέλος, συγκεντρώνονται και συγκρίνονται τα αποτελέσματα επίδοσης και απόδοσης των βέλτιστων μηχανών για κάθε υλικό προ και μετά βελτιστοποίησης, και εξάγονται συμπεράσματα σχετικά με τις σχεδιαστικές τάσεις που προκύπτουν από τη χρήση του κάθε υλικού, καθώς και σχετικά με την καταλληλότερη μέθοδο βελτιστοποίησης για κάθε υλικό. Η ανάλυση πραγματοποιείται μέσω του λογισμικού MATLAB σε συνδυασμό με το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων FEMM.