Μηχανική Ανάλυση Ηλεκτρικών Μηχανών Μονίμων Μαγνητών σε Εφαρμογή Ηλεκτροκίνησης

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με τη Μηχανική Ανάλυση Ηλεκτρικών Μηχανών Μονίμων Μαγνητών για Εφαρμογές Ηλεκτροκίνησης. Για την ανάλυση της μηχανής έχει χρησιμοποιηθεί κώδικας που αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας λογισμικό MATLAB σε συνδυασμό με το λογισμικό FEMM που βασίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων δύο διαστάσεων. Η εργασία εστιάζεται στα φαινόμενα που προκαλούν μηχανικές καταπονήσεις και επιχειρείται βελτιστοποίηση με βάση ανάλυση ευαισθησίας των γεωμετρικών παραμέτρων του κινητήρα. Αρχικά, περιγράφεται η μετάβαση στην ηλεκτροκίνηση των μεταφορών και παρουσιάζεται το σύστημα ηλεκτρικής κίνησης αυτοκινήτου ενώ στη συνέχεια, αναφέρονται οι διάφορες κατηγορίες ηλεκτροκινητήρων, που χρησιμοποιούνται συνήθως σε αυτές τις εφαρμογές. Σε ένα πρώτο θεωρητικό μέρος, παρουσιάζονται η βασική θεωρία και οι εξισώσεις του ηλεκτρομαγνητισμού που αποτελούν το θεμέλιο στην ανάλυση μιας ηλεκτρικής μηχανής καθώς διέπουν την παραγωγή ροπής και τη μετατροπή ισχύος, αποτελώντας τη βάση λειτουργίας της. Η ηλεκτρομαγνητική ανάλυση συμπληρώνεται από δύο ενότητες ανάλυσης των μηχανικών και των θερμικών φαινομένων, αντίστοιχα, καθώς οι νέες επιλεγόμενες γεωμετρίες μηχανών βασίζονται σε βελτιστοποιημένες εκδοχές συνδυασμού επίδοσης-απόδοσης, συνεκτιμώντας και τις τρεις κατηγορίες (ηλεκτρομαγνητικών, θερμικών και μηχανικών) φαινομένων. Επιπλέον, παρουσιάζεται μία μηχανική ανάλυση βασισμένη στη θεώρηση στρεφόμενου δίσκου, αξιοποιώντας στοιχεία της θεωρίας ελαστικότητας λεπτού δίσκου ως προς μια διάσταση, της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων και της θεωρίας τριγώνου σταθερής καταπόνησης. Στη συνέχεια καθορίζεται η εφαρμογή ενδιαφέροντος και βελτιστοποιείται ηλεκτρικός κινητήρας μονίμων μαγνητών υψηλών στροφών (~15.000 ΣΑΛ) με σταθερή σχέση μετάδοσης 1:20 για μικρό αυτοκίνητο πόλης. Μετά τον καθορισμό των απαιτούμενων μεγεθών ροπής και ισχύος, ακολουθεί προκαταρκτική σχεδίαση της μηχανής ώστε να προσδιοριστούν τα βασικά γεωμετρικά μεγέθη του μαγνητικού της κυκλώματος με βάση τα οποία θα ξεκινήσουν οι προσομοιώσεις για τη βελτιστοποίηση γεωμετρίας και την οριστική σχεδίαση. Η μεθοδολογία που εφαρμόστηκε βασίζεται σε ανάλυση ευαισθησίας, γεωμετρικών παραμέτρων.Το τελευταίο τμήμα της εργασίας συγκεντρώνει τα συμπεράσματα και τα προτεινόμενα θέματα που χρήζουν έρευνας.