Σχεδιασμός και μελέτη ηλεκτρογεννήτριας συνδεδεμένης στο αξονικό σύστημα πλοίου

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η μελέτη ηλεκτρικής γεννήτριας συνδεδεμένης στο αξονικό σύστημα πρόωσης πλοίου. Αρχικά πραγματοποιήθηκε βιβλιογραφική διερεύνηση σχετικά με προβλήματα ηλεκτροπρόωσης και θέματα τοπολογιών αξονικών γεννητριών. Κατόπιν, διατυπώθηκε μία μεθοδολογία σχεδίασης ηλεκτρικών μηχανών. Στη συνέχεια, επιλέγοντας σύγχρονη μηχανή μονίμων μαγνητών, τέθηκαν οι βασικές προδιαγραφές ισχύος και ταχύτητας. Σύμφωνα με αυτές έγινε η προκαταρκτική σχεδίαση, θεωρώντας τυπικές τιμές ειδικής ηλεκτρικής και μαγνητικής φόρτισης. Η αρχική αυτή διαμόρφωση εξειδικεύθηκε και διαμορφώθηκε περαιτέρω με τη βοήθεια ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων δύο διαστάσεων. Επιπλέον, επιχειρήθηκε παραμετρική σχεδίαση της μηχανής, μέσω ανάλυσης ευαισθησίας της ροπής και των απωλειών με μεταβλητές τις κύριες γεωμετρικές παραμέτρους. Κατόπιν, μελετήθηκαν τα λειτουργικά χαρακτηριστικά της μηχανής και προσδιορίστηκαν οι παράμετροι του ισοδυνάμου κυκλώματός της. Σε ένα επόμενο βήμα σχεδιάστηκε μία σύγχρονη μηχανή έκτυπων πόλων, με ίδια ονομαστική ισχύ, προκειμένου να συγκριθεί με τη γεννήτρια μόνιμου μαγνήτη. Αφού ακολουθήθηκε αντίστοιχη διαδικασία προκαταρκτικής σχεδίασης και οριστικής σχεδίασης μέσω ανάλυσης ευαισθησίας γεωμετρικών παραμέτρων, προσδιορίστηκε η τελική γεωμετρική διαμόρφωση και υπολογίστηκαν οι παράμετροι του ισοδυνάμου κυκλώματος. Τέλος, συγκρίθηκαν τα λειτουργικά χαρακτηριστικά των δύο γεννητριών με έμφαση την ποιότητα της παραγόμενης ροπής και τις αρμονικές της επαγόμενης ηλεκτρεγερτικής δύναμης. Στις προσομοιώσεις χρησιμοποιήθηκαν κατάλληλα λογισμικά πεπερασμένων στοιχείων και αριθμητικής ολοκλήρωσης διαφορικών εξισώσεων (FEMM και MATLAB, αντίστοιχα).

The present diploma thesis undertakes the design and analysis of a ship’s shaft generator. In a first step, a bibliographical research of the electric propulsion and the different shaft generator’s systems was performed. In a second step, the design procedure of electrical machines was presented. Moreover, a permanent magnet synchronous generator topology was chosen and the main specifications, i.e. nominal speed and power, were determined. Then, the preliminary design of the machine was carried out, taking into consideration typical electric and magnetic loadings. This initial geometrical configuration was further elaborated by using 2D finite element analysis. Additionally, a parametric design of the machine was developed, in order to perform a sensitivity analysis of the electromagnetic torque and losses, with variables the basic geometrical parameters. Moreover, the final operating characteristics were evaluated and the parameters of the equivalent circuit were computed. Furthermore, a salient pole synchronous generator of the same nominal power was designed, in order to be compared with the permanent magnet machine. The same preliminary design and sensitivity analysis procedure was implemented and the final configuration was analyzed. In addition, the parameters of the equivalent circuit were evaluated. Finally, the main operating characteristics of these two generators were compared. The above mentioned analyses were carried out by using popular software packages based on the finite element analysis method and numerical time integration for differential equations solution (FEMM and MATLAB, respectively).