Σχεδίαση και μελέτη κινητήρα μεταβλητής μαγνητικής αντίστασης για εφαρμογή ηλεκτροκίνησης

Abstract

Η παρούσα εργασία έχει ως αντικείμενο τη σχεδίαση ηλεκτρικού κινητήρα για εφαρμογή σε ηλεκτροκίνητο όχημα. Τα κύρια χαρακτηριστικά του ζητούμενου κινητήριου συστήματος είναι η υψηλή ταχύτητα περιστροφής (8000 rpm), η μεγάλη απόδοση σε όλο το εύρος λειτουργίας και η υψηλή πυκνότητα ισχύος. Το πρώτο στάδιο της μελέτης αυτής ήταν η βιβλιογραφική διερεύνηση των ηλεκτρικών κινητήριων συστημάτων σε πρωτότυπα οχήματα αλλά και σε οχήματα παραγωγής. Μετά από μία παρουσίαση της λειτουργίας των ηλεκτροκίνητων οχημάτων έπεται η ανάλυση του κινητήρα ως κύριου αντικείμενου μελέτης αυτής της εργασίας Ακολουθεί μελέτη της λειτουργίας και των ιδιαιτεροτήτων των κινητήρων μεταβλητής μαγνητικής αντίστασης. Αρχικά γίνεται προκαταρκτική σχεδίαση με αναλυτικές μεθόδους για τη βασική διαστασιολόγηση του συστήματος. Από τη διαδικασία αυτή επιλέγονται και προκύπτουν βασικές παράμετροι σχεδίασης όπως η τοπολογία, οι διαστάσεις διακένου και άλλα βασικά χαρακτηριστικά. Στη συνέχεια περιγράφονται τα εργαλεία και οι μέθοδοι που θα χρησιμοποιηθούν για την πεδιακή ανάλυση της μηχανής. Πριν το επόμενο στάδιο, που είναι παραμετροποιημένη σχεδίαση χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων με σκοπό τη βελτιστοποίηση της αποδιδόμενης ροπής αλλά και της τελικής απόδοσης της μηχανής, εξετάζεται η πιστότητα του μοντέλου της μηχανής που βασίζεται στο πρόγραμμα των πεπερασμένων στοιχείων και γίνεται διερεύνηση του βέλτιστου τρόπου σχεδίασης με σκοπό την ελαχιστοποίηση του υπολογιστικού χρόνου που απαιτείται για τη βελτιστοποίηση. Έπειτα επεξηγείται κάθε βήμα της διαδικασίας και παρουσιάζονται και εκτιμώνται τα αποτελέσματα έτσι ώστε να προκύψουν οι τελικές προδιαγραφές του συστήματος. Τέλος ακολουθεί προσομοίωση της λειτουργίας του συστήματος σε Η\Υ με χρήση του λογισμικού Simulink.

The present thesis undertakes the design procedure of an electric motor for an electric vehicle. In terms of its technical characteristics, the motor presents high rational speed (8000 rpm), high efficiency for a large operational range and high power density. In a first step, a bibliographical research of electric motor traction drives in prototype and mass production vehicles was performed. Following a short presentation of the application of electric vehicles, the analysis of the electric motor, as the main component of the present thesis, is undertaken. A thorough examination of the operating principles and distinct features of the switched reluctance motors is then performed. The design procedure begins with the initial design of the motor by means of corresponding theoretical equations in order to specify basic design features, such as the machine configuration, the air gap dimensions and more. During this study, the computation tools for detailed field analysis are described. Before proceeding to the parametric design analysis in order to maximize torque and motor efficiency, finite element method programs are the means by which validity of the proposed model is ensured and the optimal design procedure is developed, in terms of minimizing computational time during optimization. Every step of the aforementioned procedure is detailed and the results are presented and evaluated before proceeding to the outline of the final system specifications. Finally, the operation of the motor is simulated by means of the Simulink software.