Σχεδιασμός και μελέτη εναλλακτικών τοπολογιών σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίστασης με εσωτερικούς μόνιμους μαγνήτες για ηλεκτρικό όχημα

Abstract

Η παρούσα εργασία έχει ως αντικείμενο τη σχεδίαση ηλεκτρικού κινητήρα για εφαρμογή σε ηλεκτροκίνητο όχημα. Για το σκοπό αυτό πραγματοποιείται μια διερεύνηση σε τέσσερις διαφορετικές γεωμετρίες δρομέα ενός σύγχρονου κινητήρα μαγνητικής αντίστασης με εσωτερικούς μόνιμους μαγνήτες. Τα κριτήρια με τα οποία συγκρίνονται οι τέσσερις γεωμετρίες είναι η επίδοση, η απόδοση και το κόστος των μονίμων μαγνητών του ηλεκτρικού κινητήρα. Το πρώτο στάδιο της εργασίας περιλαμβάνει τη βιβλιογραφική διερεύνηση των ηλεκτρικών κινητήριων συστημάτων. Γίνεται μια σύντομη παρουσίαση των υποσυστημάτων που αποτελούν το ηλεκτροκίνητο σύστημα ενός ηλεκτρικού οχήματος και των λειτουργιών τους. Παρουσιάζονται οι τύποι κινητήρων που χρησιμοποιούνται σε σημερινές εφαρμογές ηλεκτροκίνητων οχημάτων και αναλύεται η λειτουργία των σύγχρονων κινητήρων μαγνητικής αντίστασης. Στο δεύτερο στάδιο πραγματοποιείται η προκαταρκτική σχεδίαση με αναλυτικές μεθόδους για τη βασική διαστασιολόγηση του συστήματος. Στο στάδιο αυτό προκύπτουν οι βασικές παράμετροι της τελικής σχεδίασης. Στο τρίτο στάδιο περιγράφονται τα εργαλεία και οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την πεδιακή ανάλυση της κάθε μηχανής. Χρησιμοποιώντας τα λογισμικά Matlab και FEMM επιτυγχάνεται η παραμετροποίηση της σχεδίασης και πραγματοποιείται η ανάλυση των μηχανών με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Τέλος, γίνεται η παρουσίαση και η σύγκριση των αποτελεσμάτων και καταγράφονται τα τελικά συμπεράσματα από τη διαδικασία σχεδίασης.

This thesis undertakes a comparative study on the design of electric vehicle motors concerning PM-assisted SynRM technologies. In the analysis undertaken, four different rotor topologies are considered. The criteria to compare the four geometries are the cost of the permanent magnets and the performance of the electric motor. The first section of this thesis includes the literature investigation of electric drive systems. The subsystems which constitute the electric system of an electric vehicle and their functions are introduced. The types of engines used in current applications of electric vehicles are presented and the operating characteristics of synchronous reluctance machines are analyzed. In the second section, the preliminary design with analytical methods is performed, taking into consideration typical electric and magnetic loadings. This initial geometrical configuration is further elaborated by using 2D finite element analysis. In the third section, the tools and the methods used for the analysis of the electric field of the machine are described in detail. Four parametric designs (one model for each different rotor geometry) are developed using Matlab and FEMM, in order to perform a sensitivity analysis. Finally, there is the presentation and the comparison of the results and the final conclusions of the design process are recorded.