Θερμική και μηχανική ανάλυση κινητήρα μονίμων μαγνητών υψηλής ταχύτητας

Κορωνίδης, Αντώνης; Koronidis, Antonis

dc.contributor.author	Κορωνίδης, Αντώνης	el
dc.contributor.author	Koronidis, Antonis	en
dc.date.accessioned	2017-09-25T10:40:02Z
dc.date.available	2017-09-25T10:40:02Z
dc.date.issued	2017-09-25
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/45687
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14634
dc.rights	Default License
dc.subject	Κινητήρας υψηλής ταχύτητας	el
dc.subject	Μόνιμοι μαγνήτες	el
dc.subject	Αξονοδυναμική ανάλυση	el
dc.subject	Δομική ανάλυση	el
dc.subject	Θερμική ανάλυση	el
dc.subject	High-speed motors	en
dc.subject	Permanent magnets	el
dc.subject	Rotordynamic analysis	el
dc.subject	Structural analysis	el
dc.subject	Thermal analysis	el
dc.title	Θερμική και μηχανική ανάλυση κινητήρα μονίμων μαγνητών υψηλής ταχύτητας	el
dc.title	Thermal and mechanical analysis of a high-speed electrical machine	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ηλεκτρικές μηχανές	el
heal.classification	Electrical machines	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-07-20
heal.abstract	Οι ηλεκτρικές μηχανές υψηλών ταχυτήτων αποτελούν ένα σύγχρονο πεδίο έρευνας με πληθώρα νέων δημοσιεύσεων και με συνεχώς αυξανόμενο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια λόγω της εμφάνισης νέων απαιτήσεων με στόχο την αύξηση της αποδοτικότητας και της αξιοπιστίας, και τον ταυτόχρονο περιορισμό του όγκου και της μάζας της μηχανής. Οι μηχανές μονίμων μαγνητών κυριαρχούν στο πεδίο των εφαρμογών υψηλών ταχυτήτων, δεδομένου ότι επιτυγχάνουν υψηλή απόδοση και πυκνότητα ισχύος και χαμηλό ακουστικό θόρυβο. Η παρούσα διπλωματική εργασία επιχειρεί τη θερμική και μηχανική ανάλυση ενός πρότυπου σύγχρονου κινητήρα μονίμων μαγνητών, μικρού όγκου και βάρους, χαμηλής ισχύος (~3.2kW), υψηλής απόδοσης (>90%) για τον οποίο έχει τεθεί ως κύριος στόχος να λειτουργεί σε υψηλές ταχύτητες (~30.000ΣΑΛ). Σκοπός είναι η συνδυασμένη μελέτη της θερμοκρασιακής κατανομής στη μηχανή και της δομικής αντοχής της και αξονοδυναμικής της συμπεριφοράς. Σε πρώτο στάδιο παρουσιάζονται αναλυτικά οι τρόποι μετάδοσης θερμότητας στο εσωτερικό των ηλεκτρικών μηχανών καθώς και οι μαθηματικές σχέσεις που περιγράφουν τους μηχανισμούς αυτούς. Στη συνέχεια προσομοιώνεται η θερμική συμπεριφορά του πρότυπου κινητήρα με χρήση δύο προγραμμάτων πεπερασμένων στοιχείων, όπου υπολογίζεται λεπτομερώς η τοπική κατανομή των θερμοκρασιών σε κάθε σημείο της γεωμετρίας του. Αρχικά πραγματοποιείται δυσδιάστατη ανάλυση για τη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας του κινητήρα τόσο σε εγκάρσια τομή όσο και σε τομή παράλληλη στον άξονα περιστροφής της μηχανής. Ακολούθως επιχειρείται τρισδιάστατη μοντελοποίηση του κινητήρα τόσο για τη μόνιμη όσο και για την μεταβατική κατάσταση λειτουργίας. Τέλος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από πειραματικές μετρήσεις και συγκρίνονται με τα αντίστοιχα προσομοιωμένα. Στην εργασία, σε ένα δεύτερο βήμα επιχειρείται αξονοδυναμική ανάλυση του πρότυπου κινητήρα μονίμων μαγνητών υψηλής ταχύτητας. Στις ηλεκτρικές μηχανές, η ανάλυση της δυναμικής του άξονα αφορά κυρίως τη μελέτη ταλαντώσεων του δρομέα. Ο δρομέας αποτελεί το σημαντικότερο τμήμα μηχανικής ανάλυσης μιας μηχανής υψηλών ταχυτήτων, επομένως είναι πρωταρχικής σημασίας να λαμβάνονται υπόψη τα αξονοδυναμικά του χαρακτηριστικά, καθώς μπορεί να αποτραπούν καταστροφικές βλάβες λόγω μη αποσβενόμενων ταλαντώσεων. Η προσομοίωση της δυναμικής συμπεριφοράς του δρομέα επιτυγχάνεται με χρήση της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων που παρέχει αξιόπιστα αποτελέσματα και οπτική αναπαράσταση του είδους των ταλαντώσεων του δρομέα. Απώτερος σκοπός της ενότητας αυτής είναι ο υπολογισμός των κρίσιμων ταχυτήτων και ο έλεγχος για ασφάλεια περιστροφής του κινητήρα στις 30.000 ΣΑΛ. Αρχικά διερευνάται η εξάρτηση των φυσικών συχνοτήτων του δρομέα με βάση τη δομική του σύνθεση, τη διάμετρο του άξονα και το μήκος του ενεργού του μέρους. Στη συνέχεια πραγματοποιείται πειραματική επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης για χαμηλές ταχύτητες. Τέλος προσδιορίζονται οι κρίσιμες ταχύτητες και καθορίζεται η μέγιστη επιτρεπτή ταχύτητα περιστροφής του δρομέα ως προς την αξονοδυναμική του συμπεριφορά. Στο τρίτο σκέλος της διπλωματικής εργασίας, πραγματοποιείται η δομική ανάλυση του υπό εξέταση σύγχρονου κινητήρα. Σε μια ηλεκτρική μηχανή υψηλών ταχυτήτων η ανάλυση αυτή είναι ένα πολύ σημαντικό και απαιτητικό τμήμα της σχεδίασης, καθώς σε υψηλές συχνότητες περιστροφής οι φυγόκεντρες δυνάμεις και οι τάσεις που ασκούνται στον δρομέα γίνονται πολύ έντονες. Σκοπός της ενότητας αυτής είναι η εξαγωγή συμπεράσματος σχετικά με την δομική ακεραιότητα του δρομέα για ταχύτητα περιστροφής 30.000 ΣΑΛ, μέσω προσομοίωσης με χρήση της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων. Σε ένα πρώτο βήμα υπολογίζονται οι μέγιστες τάσεις που ασκούνται σε όλα τα μέρη του κινητήρα για την πιο πάνω ταχύτητα περιστροφής και ο αντίστοιχος συντελεστής ασφαλείας. Ακολούθως προσδιορίζεται η μέγιστη επιτρεπτή ταχύτητα περιστροφής του δρομέα και τέλος διερευνάται πως συσχετίζεται η διάμετρος του δρομέα με τη μέγιστη ταχύτητα περιστροφής.	el
heal.abstract	High-speed electrical machines constitute a modern field of research with numerous new publications and a growing interest in recent years due to the emergence of new requirements in order to increase efficiency and reliability, and the simultaneous limitation of the machine's volume and mass. Permanent magnet machines dominate the field of high-speed applications, as they provide high performance and power density as well as low acoustic noise. The present thesis undertakes thermal and mechanical analysis of a prototype synchronous permanent magnet motor, with low weight and volume, low power (~3.2kW), high efficiency (>90%), intending to operate at high speeds. The aim of the project is to study the temperature distribution in the machine as well as its structural and rotor-dynamic behavior. In a first step, the heat transfer phenomena inside the electric machines are presented, as well as the mathematical analysis describing the underlying mechanisms. Following, the thermal behaviour of the prototype machine is simulated by using two finite element software, enabling calculation of the local temperature distribution in detail,. Initially, a two-dimensional analysis is made, for steady-state operation representing the motor cross-section both in Cartesian and axi-symmetric coordinates. Then three-dimensional modeling of the machine is performed for both steady-state and transient operating conditions. Finally, the simulated results are validated by respective experimental measurements. In a second step, the rotor dynamic analysis of the prototype high-speed permanent magnet motor is performed. In electric machines, the dynamic analysis mainly concerns rotor vibrations. The rotor is the most important part in high-speed machine applications, that is why it is of great importance to take into account the rotor dynamic characteristics, in order to avoid destructive damage due to unobtrusive oscillations. Simulation of the dynamic behavior of the rotor is accomplished by using the finite element method that provides reliable results and visual information on the mode of rotor oscillations. The main purpose of this section is to calculate the critical speeds and ensure the safe rotation of the machine at 30,000 rpm. Initially, the natural frequency dependence of the rotor is investigated by considering its structural composition, the the axis diameter and the length of its active part. Experimental validation of the simulation results for low speeds is then performed. Finally, the critical speeds are calculated and the maximum speed of safe rotor rotation is determined with respect to its rotor-dynamic behavior. In the third part of the diploma thesis, a structural analysis of the synchronous machine considered is performed. In a high-speed electric motor applications, this analysis constitutes a very important and demanding part of the machine design, as at high rotational frequencies, the centrifugal forces and the stresses exerted on the rotor become very intense. The purpose of this section is to draw a conclusion on the structural integrity of the rotor for a speed of 30,000 rpm through simulations using the finite element method. In a first step, the maximum stresses applied to all machine parts for the above rotational speed and the corresponding safety factors are calculated. The maximum permissible rotation speed of the rotor is then determined and finally the rotor diameter correlation to the maximum rotation speed is investigated.	en
heal.advisorName	Κλαδάς, Αντώνιος	el
heal.committeeMemberName	Μανιάς, Στέφανος	el
heal.committeeMemberName	Παπαθανασίου, Σταύρος	el
heal.committeeMemberName	Κλαδάς, Αντώνιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Ηλεκτρικής Ισχύος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	170 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true