Θερμική ανάλυση κινητήρα μονίμων μαγνητών

Abstract

Η διαρκής προσπάθεια για την βελτίωση της απόδοσης και τη μείωση του κόστους παραγωγής των ηλεκτρικών κινητήρων, έχει οδηγήσει τους ερευνητές στην αναζήτηση νέων και καινοτόμων τεχνικών κατασκευής τους. Μια νέα τεχνική παραγωγής συνιστωσών είναι η τρισδιάστατη εκτύπωση. Η παραγωγή μηχανικών εξαρτημάτων μέσω τρισδιάστατης εκτύπωσης, παρότι βρίσκεται σε πρώιμο στάδιο, φαίνεται να προσφέρει πολλά πλεονεκτηματα. Έτσι, το ενδιαφέρον της ερευνητικής κοινότητας για τον προσδιορισμό της ποιότητας, της αξιοπιστίας και των επιδόσεων των τρισδιάστατα εκτυπωμένων υποσυστημάτων κινητήρων αυξάνεται συνεχώς. Η παρούσα διπλωματική εργασία επιχειρεί τη θερμική ανάλυση ενός πρότυπου σύγχρονου κινητήρα μονίμων μαγνητών, υψηλών ταχυτήτων και μικρού όγκου, που διαθέτει τρισδιάστατα εκτυπωμένα μέρη μαγνητικών κυκλωμάτων. Σκοπός είναι η μελέτη της θερμικής συμπεριφοράς του στάτη του κινητήρα στην μεταβατική και μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Η θερμική συμπεριφορά των ηλεκτρικών μηχανών αποτελεί κρίσιμη παράμετρο που πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά τη σχεδίαση τους. Στην παρούσα εργασία σε πρώτο βήμα, μελετώνται τα θερμικά φαινόμενα που διέπουν τη λειτουργία των ηλεκτρικών μηχανών και αποτυπώνονται οι μαθηματικές σχέσεις που περιγράφουν τους μηχανισμούς μετάδοσης των θερμικών φαινομένων. Στη συνέχεια επιλύεται ένα απλουστευμένο θερμικό πρόβλημα για το οποίο υπάρχουν αναλυτικές λύσεις μέσω του κώδικα των πεπερασμένων στοιχείων για τον έλεγχο της αξιοπιστίας των αποτελεσμάτων που εξασφαλίζει η συγκεκριμένη μεθοδολογία. Σε επόμενο βήμα, αφού οριστούν οι παράμετροι εισόδου και οι οριακές συνθήκες, προσομοιώνεται το θερμικό πρόβλημα στον πρότυπο κινητήρα με την μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων θεωρώντας γεωμετρίες δύο και τριών διαστάσεων, αντίστοιχα. Η δισδιάστατη ανάλυση πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας ‘’ελεύθερο’’ κώδικα διαθέσιμο στο διαδίκτυο για την ανάλυση των θερμοκρασιών σε μόνιμη κατάσταση λειτουργίας, σε εγκάρσια τομή του κινητήρα. Ακολούθως επιχειρείται τρισδιάστατη μοντελοποίηση του κινητήρα μέσω εμπορικού λογισμικού τόσο για τη μόνιμη όσο και για την μεταβατική κατάσταση λειτουργίας. Τέλος, παρουσιάζονται οι πειραματικές μετρήσεις που διεξήχθησαν στο χώρο του εργαστηρίου και συγκρίνονται με τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, προκειμένου να ελεγχθεί η ακρίβεια των μοντέλων που αναπτύχθηκαν. Με την ολοκλήρωση της διπλωματικής εργασίας αναδεικνύεται η εγκυρότητα της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων στην δισδιάστατη και στην τρισδιάστατη μοντελοποίηση, ενώ αναλύεται η θερμική συμπεριφορά του μαγνητικού κυκλώματος του στάτη του κινητήρα που κατασκευάσθηκε μέσω τρισδιάστατης εκτύπωσης.