Ηλεκτρομαγνητική και θερμική μελέτη γραμμικής μηχανής μονίμων μαγνητών

Abstract

Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας επιχειρήθηκε ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών μεγεθών μίας σύγχρονης γραμμικής μηχανής μονίμων μαγνητών (Linear Permanent Magnet Synchronous Motor – LPMSM) και ο υπολογισμός των απωλειών με την αξιοποίηση ορισμένων «παραδοσιακών» μεθοδολογιών. Κατόπιν πραγματοποιήθηκε μελέτη με τρία μοντέλα ώστε να εξακριβωθεί η θερμική της συμπεριφορά σε ονομαστικές συνθήκες φόρτισης. Αρχικά αναλύεται η αρχή λειτουργίας μίας σύγχρονης γραμμικής μηχανής μόνιμων μαγνητών και παρουσιάζονται οι συνηθέστερες τοπολογίες της. Στη συνέχεια αναφέρονται τα βασικότερα μεγέθη της προκαταρκτικής σχεδίασης μίας μηχανής, τα υλικά κατασκευής της, ενώ τονίζεται η σημασία των φυσικών ιδιοτήτων τους για την ηλεκτρομαγνητική και τη θερμική συμπεριφορά της. Μετά την ερμηνεία ορισμένων σημαντικών φαινομένων που συνήθως αποτελούν πρόκληση κατά την σχεδιομελέτη μίας μηχανής, επισημαίνονται οι βασικότερες μεθοδολογίες υπολογισμού απωλειών. Κατόπιν θεμελιώνεται το ισοδύναμο κύκλωμα της το οποίο με τη βοήθεια του μετασχηματισμού Park αναλύεται στο d-q πλαίσιο. Στη συνέχεια αναλύεται η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων και συγκεκριμένα το ελεύθερο λογισμικό FEMM μέσω της διεπαφής του οποίου με το Matlab προκύπτουν οι κυματομορφές της πεπλεγμένης μαγνητικής ροής, της Ηλεκτρεγερτικής Δύναμης και της οριζόντιας δύναμης (thrust) που παράγεται από την αλληλεπίδραση των πεδίων της μηχανής, σε ορισμένες κρίσιμες λειτουργικές καταστάσεις. Κατόπιν επιλέγοντας κατάλληλη μεθοδολογία υπολογίζονται οι απώλειές της και προσδιορίζεται ο βαθμός απόδοσής της. Για την επαλήθευση των ανωτέρω διεξήχθησαν πειραματικές μετρήσεις όπου προσδιορίστηκε η ΗΕΔ, οι απώλειες χαλκού και η δύναμη ευθυγράμμισής της. Μετά το πέρας της μελέτης των ηλεκτρομαγνητικών χαρακτηριστικών της μηχανής, αναφέρονται τα βασικά θερμικά φαινόμενα που συναντώνται σε μία LPMSM και οι μηχανισμοί διάδοσης της θερμότητας στο εσωτερικό της. Αφού τονιστεί η σημασία του περιορισμού της υπερθέρμανσης, ώστε να μην προκύψουν προβλήματα στις μονώσεις των πηνίων ή στην μαγνήτιση των μόνιμων μαγνητών, παρατίθενται τα βασικότερα συστήματα ψύξης μίας μηχανής. Ακολουθεί η θερμική ανάλυση της LPMSM με τη μέθοδο των συγκεντρωμένων παραμέτρων, η οποία αν και αποτελεί μία απλή μέθοδο παρέχει σημαντικά δεδομένα τόσο για τη τελική κατάσταση της όσο και για τη μεταβατική. Για την επαλήθευση αυτών των αποτελεσμάτων πραγματοποιήθηκε μία ακόμα προσομοίωση με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και το λογισμικό FEMM. Συγκεκριμένα μελετήθηκε μία κάθετη τομή ως προς τον άξονα της μηχανής και επαναπροσδιορίστηκε η τελική θερμοκρασία των τμημάτων της. Βασική αδυναμία της συγκεκριμένης μεθόδου είναι η έλειψη πληροφοριών για τη μεταβατική κατάσταση της μηχανής. Τα αποτελέσματα αυτών των προσομοιώσεων αξιολογήθηκαν ως προς την ορθότητα τους και συγκρίθηκαν μεταξύ τους ώστε να προκύψουν συμπεράσματα για τη θερμική συμπεριφορά της μηχανής και την αναγκαιότητα ή μη εγκατάστασης ενός καλύτερου συστήματος ψύξης. Κατά την ολοκλήρωση της εργασίας συγκεντρώνονται τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων και τα βασικότερα συμπεράσματα που προέκυψαν κατά την ανάλυση της υπό μελέτη μηχανής.