Σχεδίαση και ανάλυση λειτουργίας κινητήρα εσωτερικών μονίμων μαγνητών διπλής στρώσης για εφαρμογές ηλεκτρικών οχημάτων

Abstract

Κύριο αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η σχεδίαση ενός ηλεκτρικού κινητήρα Eσωτερικών Mονίμων Mαγνητών (E.M.M.) διπλής στρώσης για εφαρμογές ηλεκτρικών οχημάτων (Electric Vehicle). Η μεθοδολογία σχεδίασης βασίστηκε σε δισδιάστατη πεδιακή ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων, ενώ η λειτουργία του κινητήρα προσομοιώθηκε υπό τεχνική διανυσματικού ελέγχου, προκειμένου να επιβεβαιωθεί η καταλληλότητα της προτεινόμενης διαμόρφωσης κινητήρα για τη δεδομένη κατηγορία προβλημάτων. Αρχικά πραγματοποιήθηκε βιβλιογραφική διερεύνηση των μηχανών E.M.M. όσον αφορά τα χαρακτηριστικά λειτουργίας και την κυκλωματική μοντελοποίηση τους. Κατόπιν διερευνήθηκαν τα κυριότερα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα των μηχανών E.M.M., ενώ εξετάσθηκαν οι διαφορετικές γεωμετρικές τους διαμορφώσεις σε συνδυασμό με τις αντίστοιχες εφαρμογές. Ως δεύτερο βήμα, επιλέχθηκε ως εφαρμογή, ένα μικρό ηλεκτρικό οχήμα πόλης, και εξήχθησαν οι βασικές προδιαγραφές της προς σχεδίαση μηχανής. Ακολούθησε η προκαταρκτική σχεδίαση του κινητήρα, έτσι ώστε να προκύψει η βασική διαστασιολόγηση της μηχανής, με βάση εμπειρικές και αναλυτικές σχέσεις. Ακολούθως πραγματοποιήθηκε η τελική σχεδίαση της μηχανής, με την ανάπτυξη μιας παραμετροποιημένης γεωμετρικής αναπαράστασης του κινητήρα σε συνδυασμό με ένα δισδιάστατο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων. H παραμετροποιημένη σχεδίαση πραγματοποιήθηκε για δύο διαφορετικές τοπολογίες στάτη: Μία για συγκεντρωμένο τύλιγμα διπλής στρώσης (Q=6) και μία για διανεμημένο τύλιγμα με 3 αύλακες / πόλο και φάση (Q=36). Τα δύο μοντέλα υποβλήθηκαν σε σύγκριση ως προς την επίδοση και την απόδοση, με το διανεμημένο τύλιγμα να επιλέγεται για την τελική σχεδίαση. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε ανάλυση ευαισθησίας, με στόχο τη βελτιστοποίηση της γεωμετρίας του στάτη, του μαγνήτη, καθώς και των φραγμάτων ροής αέρα. Η οριστική γεωμετρία, όπως προέκυψε μετά την ανάλυση ευαισθησίας, εμφανίζει μειωμένη κυμάτωση ροπής και αρμονική παραμόρφωση τάσης, σε σχέση με την αρχική. Τέλος, προσομοιώθηκε η οδήγηση της σχεδιασμένης μηχανής υπό διανυσματικό έλεγχο, τροποποιώντας ένα υπάρχον αρχικό μοντέλο ελέγχου, ώστε να λαμβάνονται υπόψιν οι μεταβολές των αυτεπαγωγών ευθέως και εγκάρσιου άξονα (Ld,Lq) συναρτήσει του ρεύματος οπλισμού. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε ένταξη δεδομένων κύκλων οδήγησης στο αρχικό μοντέλο, και διενεργήθηκαν προσομοιώσεις τόσο για αστικό όσο και για υπεραστικό κύκλο. Κατόπιν, πραγματοποιήθηκε πεδιακή ανάλυση της μηχανής σε λειτουργία εξασθένησης πεδίου, με τη βοήθεια του προγράμματος Femm. Κατά την εκπόνηση της παρούσας εργασίας, χρησιμοποιήθηκαν τα εργαλεία λογισμικού Matlab/Simulink και FEMM.

The main object of this work is to design an electric motor Interior Permanent Magniton (EMM) bilayer for electric vehicle applications (Electric Vehicle). The design methodology was based on field dimensional finite element analysis, while the operation of the engine had been simulated with vector control technique to confirm the suitability of the proposed engine configuration for the given class of problems.