Σχεδίαση και βελτιστοποίηση κινητήρα μονίμων μαγνητών για εφαρμογή ηλεκτροπρόωσης πλοίου

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη σχεδίαση και βελτιστοποίηση γεωμετρίας ενός σύγχρονου κινητήρα επιφανειακών μονίμων μαγνητών για εφαρμογή σε συστήματα αζιμουθιακών προωστήριων μηχανισμών πλοίου. Συγκεκριμένα, πρόκειται για ένα σύστημα Azipod και αφορά εξωλέμβιες μονάδες πρόωσης πλοίων, στις οποίες ο κινητήρας βρίσκεται έξω από το κύτος, έχει δυνατότητα περιστροφής γύρω από τον εαυτό του και ο άξονας του είναι απευθείας συνδεδεμένος στην προπέλα. Η εργασία σε πρώτο στάδιο προσδιορίζει τις προδιαγραφές που χρειάζονται λαμβάνοντας υπόψιν τους περιορισμούς της εφαρμογής, και σε δεύτερο στάδιο προχωρά στην σχεδίαση και βελτιστοποίηση της γεωμετρίας του με κύριο σκοπό την αύξηση της επίδοσης, με ταυτόχρονη θεώρηση κριτηρίων υψηλής απόδοσης και ποιότητας ισχύος. Οι κινητήρες που χρησιμοποιούνται στη συγκεκριμένη εφαρμογή χαρακτηρίζονται από πολύ υψηλή ισχύ (της τάξης των 4-5 MW), χαμηλή ταχύτητα περιστροφής (της τάξεως των 200 σ.α.λ.) και πολύ υψηλή απόδοση (λόγω του μεγάλου μεγέθους η θεωρητική απόδοση κυμαίνεται στο 98%). Αρχικά γίνεται βιβλιογραφική διερεύνηση των δυνατοτήτων, των περιορισμών και των επιλογών που υπάρχουν στην ηλεκτροπρόωση πλοίων. Μετά από μια σύντομη περιγραφή των χαρακτηριστικών των κινητήρων μονίμων μαγνητών, ακολουθεί η ανάλυση των πλεονεκτημάτων της εφαρμογής της ηλεκτροπρόωσης σε πλοία. Έπειτα εξηγείται αναλυτικά η διαδικασία προκαταρκτικής σχεδίασης του κινητήρα. Αυτή περιλαμβάνει τις αναλυτικές σχέσεις της κλασικής σχεδίασης, την επιλογή των υλικών, την επιλογή της γεωμετρίας δρομέα και την κατανομή τυλίγματος. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην εξήγηση της επιλογής μη επικαλυπτόμενου συγκεντρωμένου τυλίγματος διπλής στρώσης. Τελικά, γίνεται η βελτιστοποίηση της γεωμετρίας του κινητήρα, η οποία βασίζεται στην παραμετροπoιημένη σχεδίαση και την χρήση λογισμικού ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων (βιβλιοθήκη εντολών OctaveFEMM του λογισμικού FEMM για το MATLAB). Πραγματοποιείται εκτεταμένη ανάλυση ευαισθησίας για αρκετές μεταβλητές σχεδίασης που επηρεάζουν σημαντικά τα λειτουργικά στοιχεία του κινητήρα, ενώ λαμβάνονται υπόψη τρεις διαφορετικές συνθήκες φόρτισης. Μετά την επιλογή της βέλτιστης γεωμετρίας, υπολογίζονται τα χαρακτηριστικά επίδοσης και απόδοσης της.

The current thesis undertakes the design and optimisation of a synchronous surface mounted permanent magnet electric motor for marine azimuth thruster applications. Specifically, it is about an Azipod system of electric podded propulsion units, in which the motor is placed outside the ship's vessel, can rotate arouns itself and its shaft is connected directly to the propeller. Initially, the thesis determines the specifications needed taking the limitations of the application into consideration, and then it moves to the design and optimisation of the motor's geometry with the main goal being the performance maximisation, also meeting high efficiency and power quality criteria. The motors used in this application are characterised by very high output power (in the range of 4-5 MW), low speed (in the range of 200 rpm) and very high efficiency (because of its large size the theoretical value of its efficiency is about 98%). Firstly, the possibilities, constraints and options available in marine electric propulsion are investigated in the literature. After a brief description of the characteristics of permanent magnet motors, follows an analysis of the benefits of the implementation of electric propulsion on ships. Then the preliminary design process of the engine is explained in detail. This involves the analytical relations of the preliminary design, the selection of materials, the selection of the geometry of the rotor and type of the coil. Particular emphasis is given to explaining the choice of concentrated non- overlapping double layer windings. Finally, the optimization of the geometry of the engine is done, based on the parametric design and the use of finite element analysis software (FEMM's OctaveFEMM command library for MATLAB). Extensive sensitivity analysis is performed on several design variables that significantly influence the functional components of the engine, while taking into account three different loading conditions. After selecting the optimal geometry, performance and efficiency characteristics and are calculated.