Ανάλυση σφαλμάτων μηχανής μονίμων μαγνητών για εφαρμογές ηλεκτροκίνησης

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει στη μελέτη και ανάλυση σφαλμάτων σε σύγχρονες μηχανές μονίμων μαγνητών για εφαρμογές ηλεκτροκίνησης. Οι μηχανές αυτές αποτελούν την κύρια επιλογή στα σύγχρονα ηλεκτρικά και υβριδικά οχήματα λόγω της υψηλής απόδοσής τους και της μεγάλης πυκνότητας ισχύος που προσφέρουν. Ωστόσο, η παρουσία μονίμων μαγνητών τις καθιστά ιδιαίτερα ευάλωτες σε σφάλματα, τα οποία μπορούν να προκαλέσουν σημαντικές επιπτώσεις στη λειτουργία και την ασφάλεια του συστήματος. Στην εργασία εξετάζονται δύο κρίσιμοι τύποι συμμετρικών σφαλμάτων, το τριφασικό βραχυκύκλωμα και το σφάλμα μη ελεγχόμενης γεννήτριας τάσης, το οποίο μπορεί να συμβεί κατά την απώλεια παλμοδότησης του αντιστροφέα. Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας αναπτύχθηκε παραμετροποιημένο μοντέλο σχεδίασης και ανάλυσης σύγχρονων μηχανών μονίμων μαγνητών με χρήση της Μεθόδου των Πεπερασμένων Στοιχείων. Μέσω μαγνητοστατικών αναλύσεων εξήχθησαν χάρτες πεπλεγμένων ροών και ροπής που λαμβάνουν υπόψη φαινόμενα κορεσμού και μη γραμμικότητες. Υλοποιήθηκαν μοντέλα σφαλμάτων τόσο για μόνιμη όσο και για μεταβατική κατάσταση, τα οποία επιτρέπουν τον ακριβή υπολογισμό των ρευμάτων σφάλματος και των ροπών πέδησης με μικρό υπολογιστικό κόστος. Πραγματοποιήθηκε ανάλυση σφαλμάτων σε τρεις διαφορετικές τοπολογίες δρομέα βασισμένες σε κινητήρα εμπορικού οχήματος. Ειδικότερα μελετήθηκαν μία μηχανή επιφανειακών μονίμων μαγνητών (SPM) και δύο μηχανές εσωτερικών μονίμων μαγνητών (IPM) με διάταξη I και V αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης σφαλμάτων δίνουν σημαντικές πληροφορίες για την επίδραση των διαφορετικών τοπολογιών δρομέα αλλά και την επίδραση της λειτουργικής κατάστασης της μηχανής προ σφάλματος στη συμπεριφορά τους κατά τη διάρκεια συμμετρικών σφαλμάτων. Η κύρια συνεισφορά της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη εργαλείων και μεθοδολογιών για την ανάλυση σφαλμάτων σε σύγχρονες μηχανές μονίμων μαγνητών, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτιστοποίηση της σχεδίασης και τη βελτίωση της ασφάλειας των ηλεκτρικών κινητήριων συστημάτων. Η ανάλυση πραγματοποιείται μέσω του λογισμικού MATLAB σε συνδυασμό με το λογισμικό ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων FEMM.