Σχεδίαση Κινητήρα Μονίμων Μαγνητών σε Εφαρμογή Ανελκυστήρα

Abstract

Η παρούσα εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και τη σχεδίαση ενός ηλεκτρικού κινητήρα για εφαρμογή σε ανελκυστήρα. Πιο συγκεκριμένα, πρόκειται για την σχεδίαση ενός 20πολικού σύγχρονου κινητήρα μονίμων μαγνητών με διανεμημένα επικαλυπτόμενα τυλίγματα που θα λειτουργεί σε αργές στροφές με υψηλές απαιτήσεις ροπής (120 ΣΑΛ, 300Νm). Στην αρχή, γίνεται μια εκτεταμένη αναφορά στο θεωρητικό υπόβαθρο των αντικειμένων που πρόκειται να αναλυθούν στην παρούσα εργασία. Πιο συγκεκριμένα, δίνεται έμφαση στους δύο κυρίαρχους τύπους ανελκυστήρων με βάση την αρχή λειτουργίας τους και γίνεται σύγκριση. Επιπλέον, γίνεται εμβάθυνση στις ηλεκτρικές μηχανές, παρουσιάζοντας τις διαφορετικές τους κατηγορίες. Επιλέγεται η Σύγχρονη Μηχανή Μονίμων Μαγνητών (ΣΜΜΜ) για τη συγκεκριμένη χρήση και κατόπιν παρουσιάζεται όλο το θεωρητικό υπόβαθρο που χρειάζεται για την σχεδίαση μιας ΣΜΜΜ. Στην συνέχεια, διεξάγεται μηχανική ανάλυση για τον καθορισμό των προδιαγραφών του ηλεκτρικού κινητήρα που θα χρησιμοποιηθεί, μέσω ενός μοντέλου ανελκυστήρα στο Matlab Simulink. Αφού καθοριστούν οι προδιαγραφές, εφαρμόζονται προκαταρκτικές μέθοδοι σχεδίασης για την βασική διαστασιολόγηση του, οδηγώντας στη δημιουργία μιας ΣΜΜΜ που θα αποτελέσει αφετηρία για την σχεδίαση στα πεπερασμένα στοιχεία. Έπειτα, πραγματοποιείται μια εμπεριστατωμένη ανάλυση της μεθοδολογίας των πεπερασμένων στοιχείων για τις ΣΜΜΜ, με την χρήση του λογισμικού FEMM σε συνεργασία με το MATLAB. Κατά τη διάρκεια της ανάλυσης, παρουσιάζονται διάφορα αναλυτικά μοντέλα που στοχεύουν στην αξιολόγηση των λειτουργικών χαρακτηριστικών των μηχανών. Η έρευνα επικεντρώνεται σε αναλύσεις ευαισθησίας των παραμέτρων της μεθόδου, αξιολογώντας τόσο την ακρίβεια των αποτελεσμάτων όσο και τον υπολογιστικό χρόνο. Η συνολική προσέγγιση έχει ως στόχο την δημιουργία ενός αποτελεσματικού εργαλείου για την σχεδίαση και αξιολόγηση υποψήφιων ΣΜΜΜ. Στην πρακτική εφαρμογή των εργαλείων και των μεθοδολογιών που αναπτύχθηκαν, πραγματοποιείται μια διαδικασία πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης της γεωμετρίας του δρομέα σε δύο στάδια: στο πρώτο, δημιουργείται ένα σύνολο γεωμετριών πάχους μιας λαμαρίνας και βελτιστοποιούνται μέσω του μετώπου Pareto. Στο δεύτερο, οι καλύτερες γεωμετρίες από το πρώτο στάδιο, μετατρέπονται σε κινητήρες και αξιολογούνται μέσω μιας αντικειμενικής συνάρτησης, καταλήγοντας στον τελικό κινητήρα. Τέλος, αναλύεται ο επιλεγμένος βέλτιστος κινητήρας, αποτυπώνοντας πληθώρα διαγραμμάτων με όλα τα λειτουργικά του χαρακτηριστικά, όπως η ροπή και οι απώλειες. Επιβεβαιώνεται η καταλληλότητα του για την παρούσα εφαρμογή, διασφαλίζοντας την αποτελεσματικότητά του σε διάφορες λειτουργικές συνθήκες. Κλείνοντας, διατυπώνονται τα συμπεράσματα της μελέτης, υπογραμμίζεται η επιστημονική συνεισφορά της και δίνονται προτάσεις για μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις.