Μοντελοποίηση, Πειραματική Επιβεβαίωση Κινητήρα Ηλεκτρικού Οχήματος και Προτάσεις Βελτίωσης των Λειτουργικών Χαρακτηριστικών του

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία επιχειρεί τη σχεδιομελέτη ενός υφιστάμενου σύγχρονου κινητήρα μονίμων μαγνητών με συγκεντρωμένα μη επικαλυπτόμενα τυλίγματα (350 ΣΑΛ, 550 W) για εφαρμογή μικρού ηλεκτρικού οχήματος και στη συνέχεια βελτιστοποίηση της γεωμετρίας του, προκειμένου να θεωρηθούν οι κατασκευαστικές αποκλίσεις των λειτουργικών του χαρακτηριστικών και να προταθούν βελτιωτικές παρεμβάσεις για την πυκνότητα ισχύος, την απόδοση, και μείωση της κυμάτωσης ροπής του. Συγκεκριμένα, η εργασία περιλαμβάνει τέσσερα στάδια: ανάπτυξη κατάλληλου μοντέλου προσομοίωσης, πειραματική εξακρίβωση των παραμέτρων του συγκεκριμένου κινητήρα, ανάλυση ευαισθησίας παραμέτρων και προτεινόμενες παρεμβάσεις περαιτέρω βελτιστοποίησης της γεωμετρίας του. Αρχικά, μετά από μια σύντομη παρουσίαση των ηλεκτρικών μηχανών και των διαφόρων τύπων τους που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές ηλεκτρικών οχημάτων, αναλύθηκαν οι αρχές λειτουργίας και η διερεύνηση των λειτουργικών χαρακτηριστικών με βάση το ισοδύναμο κύκλωμα των σύγχρονων μηχανών επιφανειακών μονίμων μαγνητών. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε ένα παραμετρικό μοντέλο που αναπαριστά με ικανοποιητική ακρίβεια τα λειτουργικά χαρακτηριστικά μίας μηχανής μονίμων μαγνητών, όταν μεταβάλλονται τα κύρια γεωμετρικά χαρακτηριστικά της, τα οποία αποτελούν εισόδους του μοντέλου. Κατόπιν, πραγματοποιήθηκε πειραματική εξακρίβωση των λειτουργικών χαρακτηριστικών της υφιστάμενης μηχανής, χρησιμοποιώντας κατάλληλη πειραματική διάταξη του Εργαστηρίου Ηλεκτρικών Μηχανών και Ηλεκτρονικών Ισχύος. Τα πειραματικά αποτελέσματα της μηχανής αυτής συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα προσομοιωμένα, αναδεικνύοντας τις τεχνικές επίτευξης καλής σύγκλισης της ακρίβειας του αναπτυχθέντος μοντέλου. Ο συνδυασμός πόλων – αυλάκων της υφιστάμενης μηχανής (51 αυλάκια, 46 πόλοι) δεν παρουσιάζει συμμετρίες γεωμετρίας και διεγέρσεων και επομένως απαιτήθηκε να αναλυθεί ολόκληρη η γεωμετρία της μηχανής, με αποτέλεσμα να αυξηθεί ο υπολογιστικός φόρτος. Στη συνέχεια, προτάθηκαν μεταβολές στη γεωμετρία της μηχανής (54 αυλάκια, 48 πόλοι) οι οποίες επιτρέπουν βελτίωση των λειτουργικών χαρακτηριστικών της. Στο τελικό στάδιο της διπλωματικής εργασίας, αναπτύσσεται ένας αλγόριθμος βελτιστοποίησης και πραγματοποιείται ανάλυση ευαισθησίας παραμέτρων σε ορισμένα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του προτεινόμενου κινητήρα, με κριτήριο την μεγιστοποίηση μιας αντικειμενικής συνάρτησης που αφορά στην αύξηση της πυκνότητας ισχύος, της απόδοσης και τη μείωση της κυμάτωσης ροπής για ένα δεδομένο κύκλο λειτουργίας. Τα λειτουργικά χαρακτηριστικά των τοπικών βέλτιστων συγκρίνονται με εκείνα του αρχικού κινητήρα, προκειμένου να επιλεχθεί η προτεινόμενη γεωμετρία. Στις προσομοιώσεις χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό αριθμητικής ολοκλήρωσης διαφορικών εξισώσεων MATLAB σε συνδυασμό με το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων FEMM.