Συμβολή στη θεώρηση των απωλειών στις ηλεκτρικές μηχανές μονίμων μαγνητών για εφαρμογές ηλεκτροκίνησης

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά σε βάθος τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα τα οποία διέπουν τη συμπεριφορά των μονίμων μαγνητών στα πλαίσια ανάπτυξης αντίστοιχων ηλεκτρικών κινητήρων για Υβριδικά/Ηλεκτρικά οχήματα. Το πεδίο εφαρμογής των υπό μελέτη υλικών μονίμων μαγνητών και των αντίστοιχων κινητήρων είναι τα συστήματα ηλεκτροκίνησης, τα οποία περιλαμβάνουν τροφοδοσίες από μη ημιτονοειδείς πηγές προερχόμενες από μετατροπείς ηλεκτρονικών ισχύος. Η ορθή αναπαράσταση αυτών των φαινομένων αναδεικνύει τις κατάλληλες σχεδιαστικές επιλογές, όσον αφορά το είδος των υλικών, την τελική σχεδίαση της γεωμετρίας τους, και τα χαρακτηριστικά τους στη λειτουργία των ηλεκτρικών μηχανών που χρησιμοποιούνται. Αρχικά, παρουσιάζεται μια σύντομη επισκόπηση της τεχνολογίας και των ιδιοτήτων των σκληρών μαγνητικών υλικών που χρησιμοποιούνται στους μόνιμους μαγνήτες. Αναλύονται βιβλιογραφικά τα χαρακτηριστικά τους, οι επιπτώσεις της απομαγνήτισης και η μοντελοποίηση που συχνά υιοθετείται στη σχεδίαση εύρωστων ηλεκτρικών κινητήρων. Η εφαρμογή των χαρακτηριστικών καμπυλών και η επέκταση των υφιστάμενων μεθόδων μοντελοποίησης έχει πραγματοποιηθεί και παρουσιάζεται σε συνδυασμό με τη βελτιστοποίηση κατάλληλης τοπολογίας μαγνητικού κυκλώματος ηλεκτρικής μηχανής, η οποία σχεδιάζεται έτσι ώστε να εμφανίζει ανοχή σε σφάλματα απομαγνήτισης. Στη συνέχεια, εξετάζεται η μοντελοποίηση των απωλειών εξ αιτίας του φαινομένου των δινορευμάτων. Η τρισδιάστατη φύση αυτών των φαινομένων και η θεώρηση του μαγνητικού πεδίου αντίδρασης των δινορευμάτων στη συνολική μοντελοποίηση των ηλεκτρικών κινητήρων αποτελούν τον κύριο στόχο της ανάλυσης. Η βιβλιογραφική διερεύνηση του σχετικού επιστημονικού πεδίου, καθώς επίσης και η επιλογή κατάλληλης μεθοδολογίας μοντελοποίησης, αποσκοπούν στη μείωση της απαιτούμενης υπολογιστικής ισχύος δημιουργώντας ισοδύναμους μηχανισμούς περιγραφής των φαινομένων. Αρχικό στάδιο της μοντελοποίησης, αποτελεί η διαδικασία εξαγωγής χαρακτηριστικών καμπυλών, που έχουν ως στόχο την μακροσκοπική περιγραφή των ιδιοτήτων των υλικών τόσο στα σκληρά μαγνητικά υλικά, όσο και στα μαλακά μαγνητικά υλικά, και διεξάγεται πειραματικά. Η περιγραφή και η διαμόρφωση χαρακτηριστικών μαγνητικών κυκλωμάτων τύπου C-Core αποτελεί σημαντική συμβολή στον πειραματικό υπολογισμό των απωλειών των μονίμων μαγνητών. Επίσης διερευνώνται οι επιπτώσεις στις απώλειες από επιταξειακή τοποθέτηση στην επιφάνεια των μαγνητών κατάλληλων μικροστρωμάτων με κόκκους σιδηρομαγνητικών, αγώγιμων και υψηλής διαπερατότητας υλικών. Τα πειραματικά αποτελέσματα που ελήφθησαν επέτρεψαν την περαιτέρω βελτίωση και λεπτομερέστερη αναπαράσταση των φυσικών μηχανισμών που διέπουν τα υπό μελέτη φαινόμενα. Η πειραματική επιβεβαίωση των αριθμητικών και αναλυτικών μεθόδων που αναπτύχθηκαν πραγματοποιείται μέσω κατάλληλων εργαστηριακών μετρήσεων σε μαγνητικά κυκλώματα με συναφή με την τελική ηλεκτρική μηχανή διαμόρφωση, όπως στην περίπτωση μίας πρότυπης γραμμικής ηλεκτρικής μηχανής. Στη συνέχεια, μελετάται η συζευγμένη ανάλυση διαφορετικών φυσικών φαινομένων (ηλεκτρομαγνητικών, θερμικών, μηχανικών) με κατάλληλες τεχνικές χρησιμοποιώντας τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων καθώς και η σημασία θεώρησης των αλληλεπιδράσεων σε μηχανές που περιλαμβάνουν μόνιμους μαγνήτες, αναπαριστώντας λεπτομερώς την συμπεριφορά τους σε λειτουργικές συνθήκες υψηλών ταχυτήτων. Η διαφοροποίηση και η λεπτομερής μοντελοποίηση της συμπεριφοράς των μαγνητικών υλικών όταν σε αυτά επιδρούν μηχανικές και θερμικές καταπονήσεις, συνιστούν επίσης σημαντικό ενδιαφέρον διερεύνησης. Παρουσιάζεται, μία μέθοδος ανάλυσης που αναπτύχθηκε, ενώ παράλληλα αναδεικνύεται η αποτελεσματικότητα και η περιορισμένη αύξηση των υπολογιστικών απαιτήσεων. Συμπερασματικά η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στη διερεύνηση των ιδιοτήτων και των χαρακτηριστικών των μονίμων μαγνητών καθώς και στην ανάπτυξη αλγορίθμων ανάλυσης και μοντελοποίησής τους, στα πλαίσια διαμόρφωσης αντίστοιχων μεθοδολογιών σχεδιασμού ηλεκτρικών μηχανών. Η πειραματική επιβεβαίωση των μεθόδων που αναπτύχθηκαν, πραγματοποιείται σε μαγνητικά κυκλώματα με κατάλληλες διατάξεις μέτρησης. Τέλος, παρουσιάζεται η συνολική εκτίμηση της συμβολής των εμπλεκομένων φαινομένων και της μεθοδολογίας ανάλυσής τους που προτάθηκε στο γενικότερο πεδίο εφαρμογών της ηλεκτροκίνησης καθώς και οι δυνατότητες αξιοποίησής τους στο σχεδιασμό ηλεκτρικών μηχανών.