Βελτιστοποίηση γεωμετρίας και διαμόρφωσης κινητήρα με βάση τα χαρακτηριστικά σιδηρομαγνητικών

Παπανδρεάδης, Χαράλαμπος; Papandreadis, Charalampos

dc.contributor.author	Παπανδρεάδης, Χαράλαμπος	el
dc.contributor.author	Papandreadis, Charalampos	en
dc.date.accessioned	2021-01-15T07:32:46Z
dc.date.available	2021-01-15T07:32:46Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/52793
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.20491
dc.rights	Default License
dc.subject	Ηλεκτρικός κινητήρας μονίμων μαγνητών	el
dc.subject	Σχεδίαση	el
dc.subject	Permanent magnet synchronous motor	en
dc.subject	Design	en
dc.title	Βελτιστοποίηση γεωμετρίας και διαμόρφωσης κινητήρα με βάση τα χαρακτηριστικά σιδηρομαγνητικών	el
dc.contributor.department	ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Βελτιστοποίηση Διαμόρφωσης Ηλεκτρικού Κινητήρα	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-07-15
heal.abstract	Η παρούσα εργασία επιχειρεί τη βελτιστοποίηση της γεωμετρίας ηλεκτρικού κινητήρα δρομέα εσωτερικών μονίμων μαγνητών και της διαμόρφωσής του με βάση τα χαρακτηριστικά των σιδηρομαγνητικών λαμαρινών. Πραγματοποιείται μελέτη μεταξύ κινητήρων με διαφορετικά χαρακτηριστικά τόσο από πλευράς γεωμετρίας όσο και από πλευράς σιδηρομαγνητικών υλικών που χρησιμοποιούνται στους πυρήνες. Η μελέτη πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων FEMM, σε συνδυασμό με το προγραμματιστικό περιβάλλον MATLAB στο οποίο έχουν γραφεί όλες οι συναρτήσεις για την παραμετρική σχεδίαση των κινητήρων, αλλά και για την επεξεργασία, καταγραφή και αναπαράσταση των αποτελεσμάτων. Στο πρώτο μέρος της εργασίας, παρουσιάζεται μία σύντομη θεωρητική σύγκριση μεταξύ των βασικών ειδών κινητήρων, με σκοπό να επεξηγηθεί η επιλογή του προς μελέτη τύπου κινητήρα. Αυτό επιτυγχάνεται επισημαίνοντας τις εκάστοτε εφαρμογές, για την εξυπηρέτηση των οποίων προτιμάται καθένα εκ των αναφερθέντων ειδών κινητήρων, ενώ διατυπώνεται και η αιτιολόγηση της επιλογής εκ μέρους του συγγραφέα της συγκεκριμένης διαμόρφωσης. Καταληκτικά, έχοντας επιλέξει ως αντικείμενο διερεύνησης τον κινητήρα μονίμων μαγνητών, παρατίθεται μία σύντομη περιγραφή των ενναλακτικών διαμορφώσεων αυτού. Στο δεύτερο μέρος αναλύονται τα βασικά λειτουργικά χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού κινητήρα μονίμων μαγνητών, όπως η παραγωγή του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου μέσω των τυλιγμάτων στάτη, αλλά και οι κύριες εξισώσεις του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στις οποίες βασίζεται η μελέτη των κινητήρων. Ακολούθως εξηγείται αναλυτικά η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων, μέσω της οποίας πραγματοποιείται η μοντελοποίηση. Τέλος περιγράφονται όλα τα μεγέθη που αποτελούν αντικείμενα μελέτης και επεξεργασίας στη συνέχεια, και ο τρόπος μέσω του οποίου συνάγονται τα σχετικά αποτελέσματα. Με βάση τα παραπάνω, παρουσιάζονται τα μεγέθη που χαρακτηρίζουν ποιοτικά και ποσοτικά τη λειτουργική συμπεριφορά του κινητήρα (επίδοση, απόδοση, ταλαντώσεις ροπής, αρμονική παραμόρφωση κ.α.) τα οποία μελετώνται εκτενώς στη συνέχεια. Στο τρίτο μέρος πραγματοποιείται η προκαταρκτική σχεδίαση του κινητήρα. Η διαδικασία αυτή αποτελεί προσεγγιστική θεώρηση γεωμετρίας που ικανοποιεί την επιθυμητή επίδοση και απόδοση του κινητήρα, μέσω βασικών ηλεκτρομαγνητικών σχέσεων. Ακολούθως περιγράφονται οι μεταβλητές που θα μελετηθούν. Η μελέτη αφορά μία πληθώρα κατασκευαστικών χαρακτηριστικών όπως: α) η επιλογή διαμόρφωσης των τυλιγμάτων του στάτη, συγκρίνοντας συγκεντρωμένα τυλίγματα διπλής στρώσεως χωρίς επικάλυψη των άκρων των πηνίων και κατανεμημένα τυλίγματα διπλής στρώσεως κλασματικού βήματος, β) οι συνδυασμοί Πόλων/Αυλάκων, γ) η γεωμετρία δοντιών στάτη, δ) η χωροθέτηση των μαγνητών στον δρομέα και ε) κύριες γεωμετρικές μεταβλητές των μαγνητικών κυκλωμάτων δρομέα και στάτη. Εν συνεχεία, στο τέταρτο μέρος, πραγματοποιείται η οριστική σχεδιαστική μελέτη του κινητήρα και η παραμετρική διερεύνηση με σκοπό τη βέλτιστη γεωμετρική διαμόρφωσή του. Η διαδικασία πραγματοποιείται ξεχωριστά για κατανεμημένα τυλίγματα κλασματικού βήματος και για συγκεντρωμένα τυλίγματα μη επικαλυπτόμενων άκρων, με σκοπό την ανάδειξη των πλεονεκτικών χαρακτηριστικών κάθε μίας τοπολογίας τυλιγμάτων. Η πολυκριτιριακή βελτιστοποίηση πραγματοποιείται μέσω ανάλυσης ευαισθησίας παραμέτρων. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η επιλογή τελικής γεωμετρίας για κάθε μία εκ των δύο μελετηθέντων διαμορφώσεων τυλιγμάτων, καθώς και η ανάδειξη ορισμένων σημαντικών χαρακτηριστικών τους. Στο πέμπτο μέρος περιλαμβάνεται η βελτιστοποίηση διαμόρφωσης του ηλεκτρικού κινητήρα εξετάζοντας διαφορετικά χαρακτηριστικά σιδηρομαγνητικών λαμαρινών. Παρουσιάζεται μία εκτενής ανάλυση των χαρακτηριστικών των διαφόρων ειδών σιδηρομαγνητικών λαμαρινών, από καθαρό σίδηρο, κράματα πυριτίου-σιδήρου καθώς και κοβαλτίου-σιδήρου, εξετάζοντας τον μαγνητικό κορεσμό, τις απώλειες πυρήνα, τη μηχανική αντοχή κ.α. Στη συνέχεια ακολουθεί σχεδιαστική συγκριτική μελέτη πληθώρας σιδηρομαγνητικών υλικών, τα οποία χρησιμοποιούνται στις δύο οριστικές γεωμετρίες ηλεκτρικών κινητήρων του προηγουμένου κεφαλαίου. Τέλος, στο έκτο μέρος της παρούσας εργασίας, μετά από ανακεφαλαίωση της μελέτης, αναφέροντας τα κυριότερα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα που προέκυψαν, παρατίθενται τα σημεία επιστημονικής συνεισφοράς καθώς και ορισμένες προτάσεις θεμάτων για περαιτέρω διερεύνηση.	el
heal.abstract	The aim of this thesis is to optimize the geometry of an electric motor with internal permanent magnets in the rotor and it’s characteristics by examining the magnetic circuit construction by using various ferromagnetic materials. The study considers alternative motor configurations with respect to different magnetic material characteristics. The finite element software FEMM has been used, in conjunction with the MATLAB programming environment, in the implementation of the methodology developed involving parametric design as well as various functions of processing, recording and representation the results. In the first part of the thesis, a comparison among the basic types of motors implemented in electric traction applications is presented, while the choice of the motor type considered is explained. Moreover the different rotor structures of the selected permanent magnet synchronous motor type are described. In the second part, the basic operating characteristics of the permanent magnet synchronous motors are reported such as the production of electromagnetic field by stator windings as well as the governing electromagnetic equations. In addition, the method of finite elements used in the motor analysis is explained in detail. Moreover the main parameters are presented enabling the qualitative and quantitative characterization of the motor (efficiency, performance, torque ripple, voltage harmonic distortion etc.) which are studied in the followings. In the third part, the preliminary design stage of the motor is described. This procedure provides an approximate geometry satisfying the main specifications of efficiency and performance of the motor by using basic electromagnetic relations. A parametric study has been then undertaken including comparison among various configuration characteristics such as a) double layer concentrated windings with non overlapping ends double layer fractional slot distributed windings, b) different Pole / Slot combinations, c) alternative stator teeth geometries, d) various rotor magnet topologies and e) main geometric dimensions of the rotor and stator magnetic circuits. The fourth part, comprises the final design stage of the motor involving geometry optimization. The process is performed for both fractional slot distributed windings and concentrated windings with non overlapping ends configurations. The multi-criteria procedure is implemented through sensitivity analysis of all considered parameters. This way, the choice of a final geometry amongst the two studied winding configurations is based on relative advantages and features taken into account. In the fifth part, the impact on the electrical motor characteristics of alternative ferromagnetic laminations implemented has been studied. A detailed analysis of the characteristics of the various types of ferromagnetic laminations is given, including pure iron, silicon – iron and cobalt – iron alloys while the main features, concerning magnetic saturation, core losses, mechanical endurance etc. are reported. Then a comparative analysis of the different ferromagnetic materials in the two final geometries of electrical motor cases resulted in the previous chapter has been performed. Finally, the sixth part of the present thesis comprises a synopsis of the main results and the respective conclusions. Moreover, the main points of scientific contribution are reported and some suggestions for further investigation are mentioned.	en
heal.advisorName	Κλαδάς, Αντώνιος
heal.committeeMemberName	Παπαθανασίου, Σταύρος	el
heal.committeeMemberName	Αντωνόπουλος, Αντώνιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Ηλεκτρικής Ισχύος.	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	160 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false