Πολυκριτηριακή βελτιστοποίηση κινητήρα μόνιμων μαγνητών για πρόωση πλοίου

Abstract

Η παρούσα εργασία, πραγματεύεται μια ολοκληρωμένη προσέγγιση σχεδιασμού και βελτιστοποίησης, κινητήρων μόνιμων μαγνητών, για χρήση σε εφαρμογές ηλεκτρικής πρόωσης και εν προκειμένω, ιστιοφόρου σκάφους. Αρχικά, έλαβε χώρα μια εκτενής βιβλιογραφική αναζήτηση επί των υφιστάμενων θερμικών κινητήρων, των συστημάτων μετάδοσης, των συστημάτων πρόωσης και των τοπολογιών των. Επίσης, πραγματοποιήθηκε μια αναζήτηση επί των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των ιστιοφόρων γαστρών και των τυχόντων διαφορετικών αναγκών που εκπορεύονται αυτών. Συμπληρωματικά, αναζητήθηκε στη σχετική βιβλιογραφία, η υδροδυναμική συμπεριφορά των συστημάτων πρόωσης και οι απαιτήσεις των τόσο μέσω της σχετικής θεωρίας όσο και μέσω εξειδικευμένου προγράμματος υδροδυναμικής ανάλυσης (Free!ship). Επόμενο βήμα, ήταν η μελέτη των ήδη υπάρχοντων ηλεκτρικών συστημάτων πρόωσης, των κινητήρων, των συστημάτων οδήγησης, μπαταριών και γενικά της συνολικής ηλεκτρικής εγκατάστασης. Ιδιαίτερη προσοχή δόθηκε στις υπάρχουσες τοπολογίες καθώς και στις νέες τάσεις. Απόρροια των παραπάνω, ήταν οι βασικές προδιαγραφές του κινητήρα προς σχεδίαση. Εν συνεχεία, βάσει των παραπάνω προδιαγραφών, αναζητήθηκαν στη σχετική βιβλιογραφία οι πιθανές εναλλακτικές λύσεις σχεδίασης κινητήρα (τύπος κινητήρα, τυλίγματος κοκ). Η επιλεχθείσα τοπολογία ήταν σύγχρονος κινητήρας επιφανειακών μόνιμων μαγνητών, με συγκεντρωμένο τύλιγμα, διπλής στρώσης, κλασματικού βήματος. Κατόπιν, έλαβε χώρα η προκαταρκτική σχεδίαση θεωρώντας τυπικές τιμές ηλεκτρικών και μαγνητικών φορτίσεων. Επιπρόσθετα, δημιουργήθηκε η απαραίτητη για την συνέχεια παραμετρική σχεδίαση του κινητήρα, όπου δύναται να μεταβληθεί το σύνολο των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του κινητήρα. Ταυτόχρονα υπολογίζονται και όλα τα απαραίτητα μεγέθη για την αξιολόγηση του κινητήρα (όπως ροπή, κυμάτωση ροπής, αναπτυσσόμενη αντί-ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ), αρμονική παραμόρφωση αντί-ΗΕΔ, απώλειες). Ακολούθως, κατόπιν βιβλιογραφικής αναζήτησης των διάφορων μεθόδων βελτιστοποίησης, επιλέχθηκε ο εξελικτικός αλγόριθμος ισχύος Pareto (SPEA-Strength Pareto Evolutionary Algorithm). Πρόκειται για πολυκριτηριακή μέθοδο βελτιστοποίησης. που ανήκει στην κατηγορία των εξελικτικών αλγορίθμων και προτιμήθηκε για την ικανότητα σύγκλισης, και για το εύρος λύσεων που προσφέρει. Ο αλγόριθμος υλοποιήθηκε σε προγραμματιστικό περιβάλλον MATLAB. Βάσει των επιθυμητών χαρακτηριστικών επίδοσης και απόδοσης του κινητήρα, δημιουργήθηκαν οι κατάλληλες αντικειμενικές συναρτήσεις και μέσω της διεπαφής MATLAB-FEMM έλαβε χώρα η βελτιστοποίηση του κινητήρα, από όπου λάβαμε το μέτωπο Pareto. Από αυτές μέσω επιπρόσθετων κριτηρίων λήφθηκε η καλύτερα συμβιβαστική λύση και η τελική γεωμετρία. Η επιλεχθείσα γεωμετρία αναλύθηκε ηλεκτρικά και θερμικά και καθορίστηκαν τα εκτιμώμενα, βασικά ηλεκτρικά και μηχανικά μεγέθη καθώς και ο τύπος ψύξης του κινητήρα.

The present diploma thesis undertakes a complete approach for designing and optimizing, permanent magnet motors, for electric propulsion applications, and in particular for sailboats. Initially, an extensive bibliographical research, on existing heat engines, transmission systems, propulsion systems and topologies was conducted. A research was also performed for special characteristics of sailboat hulls and as a consequence, special demands. Additionally, the hydrodynamic behavior of hulls and propulsion systems was sought, via both theoretical analysis based on annotated bibliography and specialized software for hydrodynamic calculations (Free!ship). As a next step, the existing electric propulsion systems, motors, motor drive systems, batteries and in general the electrical installation were thoroughly studied. Moreover, current topologies and future trends were given additional attention. As a result, the basic motor specifications were determined. Based on the specifications, the alternative motor configurations (in terms of winding configuration, motor type etc.) were investigated. The selected configuration was the permanent magnet synchronous motor, with fractional slot concentrated double layer winding. Afterwards, a preliminary design of the machine was conducted, taking into consideration typical electric and magnetic loadings. Additionally, a parameterized motor design script was implemented, through which we can alter the motor geometry in its entity. Simultaneously, the values needed for the motor performance and efficiency evaluation (such as torque, torque ripple, back-EMF, THD of back-EMF, losses) are calculated. Following, after an extensive bibliographical research on the optimization methods, SPEA (Strength Pareto Evolutionary Algorithm) was selected. SPEA is a multi-objective evolutionary algorithm, and was chosen due to the convergence capability and the diversity of the solutions acquired. The algorithm was implemented in MATLAB. Based on the desired motor performance and efficiency characteristic, suitable objective functions were created, and via MATLAB-FEMM interface, the optimization took place and the Pareto front was acquired. After the addition of extra criteria, the best compromise solution and consequently motor geometry was selected. The final geometry was analyzed electrically and thermally and the basic electrical and mechanical parameters, along with the motor`s cooling system were defined.