Θερμική ανάλυση σύγχρονου κινητήρα μονίμων μαγνητών

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία επιχειρεί την μοντελοποίηση των θερμικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα στις ηλεκτρικές μηχανές τόσο σε μόνιμη κατάσταση όσο και σε μεταβατικές αποκρίσεις. Στόχος είναι η μελέτη της θερμικής συμπεριφοράς κινητήρων μονίμων μαγνητών, οι οποίοι προτείνονται για την αντικατάσταση των υδραυλικών συστημάτων ελέγχου ταχύτητας των πτερυγίων πλοήγησης των αεροσκαφών. Η μετάδοση θερμότητας στο εσωτερικό των ηλεκτρικών μηχανών επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό την απόκρισή τους και γι’ αυτόν τον λόγο αποτελεί μία από τις κρισιμότερες παραμέτρους κατά τη σχεδίαση και την ανάλυση της συμπεριφοράς τους. Η εργασία σε ένα πρώτο βήμα καταγράφει αναλυτικά τους μηχανισμούς με τους οποίους μεταδίδεται η θερμότητα στο εσωτερικό των ηλεκτρικών μηχανών καθώς και τις μαθηματικές σχέσεις που περιγράφουν τους μηχανισμούς αυτούς. Σε ένα δεύτερο βήμα αναπτύσσεται ένα ισοδύναμο θερμικό μοντέλο συγκεντρωμένων παραμέτρων, το οποίο επιτρέπει την ανάλυση των θερμικών φαινομένων τόσο σε μόνιμη κατάσταση λειτουργίας όσο και στη διάρκεια μεταβατικών καταστάσεων με μεγάλη ταχύτητα και με μικρό υπολογιστικό κόστος. Επιπλέον πραγματοποιείται μοντελοποίηση χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων σε γεωμετρίες δύο διαστάσεων, η οποία αναπαριστά λεπτομερώς την τοπική κατανομή των θερμοκρασιών σε μόνιμη κατάσταση λειτουργίας. Οι προαναφερόμενες μεθοδολογίες εφαρμόζονται στην περίπτωση ενός εικοσαπολικού κινητήρα μονίμων μαγνητών, που προορίζεται για εφαρμογές ελέγχου ταχύτητας σε συστήματα πλοήγησης σύγχρονων αεροσκαφών. Τα αριθμητικά αποτελέσματα των μεθόδων συγκρίνονται με αντίστοιχα πειραματικά σε εργαστηριακό δοκίμιο κινητήρα. Με την ολοκλήρωση της παρούσας διπλωματικής εργασίας αναδείχθηκε η καταλληλότητα των δύο μεθόδων προσομοίωσης που αναπτύχθηκαν για την ανάλυση των θερμικών φαινομένων σε κινητήρες μονίμων μαγνητών που προορίζονται για την οδήγηση των συστημάτων πλοήγησης των αεροσκαφών και υφίστανται σημαντικές θερμικές καταπονήσεις.

The present diploma thesis develops modeling methodologies enabling analysis of the thermal phenomena in electrical machines both under steady state and transient regimes. Scope of this analysis is to investigate the thermal behavior of permanent magnet motors which are proposed to replace hydraulic speed control systems in navigation aircraft systems. The heat transfer phenomena in electrical machines considerably affect their electromagnetic behavior that is why their analysis constitutes one of the most critical parameters for their design and performance analysis. In a first step the present thesis describes the mechanisms of heat transfer analytically and presents the respective governing equations. In a second step an equivalent thermal model with lumped parameters has been developed, enabling analysis of the thermal phenomena involving reduced computational requirements in execution time and memory space for both steady state and transient operating conditions. Moreover, a simulation is carried out by using two dimensional finite element method which represents particularly the local thermal distribution in steady operational state. The above methodologies are applied in the case of a twenty – pole permanent magnet motor which intended for speed control applications in navigation systems of modern aircrafts. The obtained simulation results are compared to the experimental ones in a laboratory prototype motor. Finally, the main conclusions of the work and the most significant results are reported, illustrating the proposed methodologies suitability for the analysis of the thermal phenomena developed in permanent magnet motors implemented in aircraft navigation system applications, involving significant thermal stresses.