Θερμική ανάλυση κινητήρα μόνιμων μαγνητών με πεπερασμένα στοιχεία και μοντέλο συγκεντρωμένων παραμέτρων

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία καταπιάνεται με τα θερμικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό των ηλεκτρικών μηχανών. Η θερμική ανάλυση της συμπεριφοράς των ηλεκτρικών μηχανών αποτελεί μια κρίσιμη παράμετρο στην κατασκευή τους καθώς η μετάδοση θερμότητας επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό την απόκριση τους. Η θερμική συμπεριφορά του κινητήρα μονίμων μαγνητών, που προορίζεται για χρήση εναλλάκτη και πρόκειται να μελετήσουμε στην εργασία αυτή, θα πραγματοποιηθεί με την χρήση της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχείων και ενός ισοδύναμου θερμικού μοντέλου. Αρχικά θα αναλυθούν τα θερμικά φαινόμενα που διέπουν την λειτουργία του ηλεκτρικού κινητήρα και οι μαθηματικές εξισώσεις που περιγράφουν την μετάδοση της θερμότητας στο εσωτερικό του. Στη συνέχεια θα επιλυθεί ένα απλό θερμικό πρόβλημα μέσω των αναλυτικών σχέσεων και του κώδικα των πεπερασμένων στοιχείων για τον έλεγχο της αξιοπιστίας των αποτελεσμάτων που δίνει η συγκεκριμένη μέθοδος. Όταν γίνει σαφής προσδιορισμός των συνθηκών και των παραμέτρων του θερμικού προβλήματος, αναπτύσσεται ένα ισοδύναμο θερμικό μοντέλο συγκεντρωμένων παραμέτρων που θα προσεγγίσει την θερμική συμπεριφορά του κινητήρα. Η επίλυση του θερμικού προβλήματος του κινητήρα με την συγκεκριμένη μέθοδο επιτυγχάνεται πολύ γρήγορα και με μικρή υπολογιστική ισχύ, τόσο για την μεταβατική όσο και για την μόνιμη κατάσταση. Έπειτα θα αναλυθεί ο κινητήρας με το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων σε δύο δισδιάστατες γεωμετρίες, παρέχοντας αποτελέσματα για οποιαδήποτε σημείο του κινητήρα για την μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Η εργασία μετά συγκρίνει τα αποτελέσματα και την αξιοπιστία των δύο εναλλακτικών προσεγγίσεων της θερμικής συμπεριφοράς του ηλεκτρικού κινητήρα μονίμων μαγνητών. Έμφαση δίνεται στην ανάλυση της μόνιμης κατάστασης και της ακρίβειας των δύο μεθόδων. Με την ολοκλήρωση της εργασίας αναδεικνύεται η καταλληλόλητα των δύο μεθόδων θερμικής προσομοίωσης για του κινητήρες μονίμων μαγνητών που έχουν σχεδιαστή για την σαν εναλλάκτες στην κίνηση και τον έλεγχο διαφορετικών συστημάτων.

This diploma thesis deals with the thermal phenomena that take place inside of electrical machines. Heat transfer affects significantly their response and that is why she is an important factor for their design process. The thermal behavior of permanent magnets motor, which is intended for use as an actuator, will be carried out using the finite element method and an equivalent thermal model. Initially the thermal phenomena that are developed during the operation of the electric motor and the mathematical equations which describe the transmission of heat inside will be analyzed. Then a simple thermal problem will be resolved through analytical relations and the finite element code so that the reliability of the results given by this method is checked. When a clear determination of conditions and parameters of the thermal problem are made, an equivalent lumped parameter thermal model will be developed to approach the thermal behavior of the engine. Solving the problem of the thermal engine with this particular method is achieved quickly and with minimal computational power, both for the transient and the steady state. Then the engine will be analyzed with the finite element program in two-dimensional geometries, providing results for every single point of the engine for the steady state. The paper then compares the results and the credibility of the two alternative methods used to approach the thermal behavior of the permanent magnets electric motor. Emphasis is given to the analysis of steady-state and the accuracy of the two methods. The results of this diploma thesis shows the suitability of the two methods for thermal simulation of permanent magnet motors that are designed to be used as an actuator to move and control different systems.