Σχεδίαση ηλεκτρικού κινητήρα για χρήση σε όχημα εξοικονόμησης ενέργειας

Καραφυλλάκης, Ηλίας; Karafyllakis, Ilias

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Ηλεκτρικής Ισχύος

Η παρούσα εργασία επιχειρεί τη σχεδίαση ηλεκτρικού κινητήρα για εφαρμογή σε σύστημα ηλεκτρικής κίνησης μικρού οχήματος χρησιμοποιώντας ως κύρια κριτήρια βελτιστοποίησης τη μείωση των απωλειών του βάρους και του όγκου. Το όχημα για το οποίο σχεδιάζεται ο κινητήρας προορίζεται να συμμετάσχει σε ευρωπαϊκό διαγωνισμό πρότυπων μονοθέσιων οχημάτων οικονομικής μετακίνησης (Shell Eco Marathon). Προκειμένου να συγκριθεί με υφιστάμενο κινητήρα τροχού επιλέχθηκε να εισαχθεί στο σύστημα κίνησης ένας μειωτήρας στροφών υψηλής απόδοσης έτσι ώστε να εξετασθούν κινητήρες υψηλών στροφών που έχουν μειωμένο μέγεθος και βάρος για την ίδια ισχύ. Η εργασία σε ένα πρώτο βήμα, μετά από κατάλληλη επιλογή μειωτήρα, προσδιορίζει τις προδιαγραφές των κύριων λειτουργικών χαρακτηριστικών του κινητήρα και σε ένα δεύτερο βήμα περιλαμβάνει τη μελέτη σχεδίασης και διαμόρφωσης όλων των συνιστωσών του. Συγκεκριμένα, ο σύγχρονος κινητήρας μονίμων επιφανειακών μαγνητών που σχεδιάσθηκε χαρακτηρίζεται από χαμηλή ισχύ (~ 220 W), υψηλή ταχύτητα περιστροφής ( ~ 2000 ΣΑΛ), και ταυτόχρονα υψηλή απόδοση (> 90%), με δυνατότητα παροχής υψηλής ροπής εκκινήσεως. Στην εργασία μετά από μια σύντομη παρουσίαση των εφαρμογών του ηλεκτρικού οχήματος και των διαφορετικών συστημάτων κίνησης που έχουν αναπτυχθεί πραγματοποιείται καθορισμός των χαρακτηριστικών του κινητήρα για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Αυτές οι προδιαγραφές ορίζονται βάσει των στοιχείων του οχήματος στο οποίο θα τοποθετηθεί, του τρόπου με τον οποίο θα κινεί το αυτοκίνητο για τις επιθυμητές τιμές των ταχυτήτων και των επιταχύνσεων που προβλέπονται στον αγώνα σε συνδυασμό βεβαίως και με τον συγκεκριμένο μειωτήρα στροφών. Η επιλογή του αποφασίσθηκε ύστερα από ανάλυση όλων των δυνατών συνδυασμών με βασικά κριτήρια τις χαμηλές μηχανικές απώλειες, το μικρό βάρος και τον μεγάλο λόγο μετασχηματισμού. Με βάση τα αποτελέσματα της παραπάνω διαδικασίας και χρήση αναλυτικών σχέσεων προκαταρκτικής σχεδίασης πραγματοποιείται μια πρώτη εκτίμηση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του κινητήρα. Ακολουθεί μία εκτενής παρουσίαση των παραμέτρων και των αυτοματοποιημένων αλγορίθμων που χρησιμοποιούνται κατά την οριστική σχεδίαση χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και εφαρμόζεται η μεθοδολογία αναζήτησης της βέλτιστης διαμόρφωσης εξετάζοντας πολλούς διαφορετικούς συνδυασμούς αυλάκων/πόλων με συγκεντρωμένα τυλίγματα μονής και διπλής στρώσης και μελετώντας μια σειρά από μεγέθη όπως η μέγιστη ροπή που αποδίδει ο κινητήρας, η κυμάτωση αυτής, η αρμονική παραμόρφωση της τάσης, η απόδοση και το βάρος. Η διαδικασία αυτή οδηγεί στην επιλογή των ιδανικότερων διαμορφώσεων πάνω στις οποίες θα πραγματοποιηθεί η ανάλυση ευαισθησίας για όλα σχεδόν τα γεωμετρικά μεγέθη με σκοπό την βελτιστοποίηση των χαρακτηριστικών που αναφέρθηκαν προηγουμένως. Η τελική γεωμετρία προκύπτει μετά από σύγκριση των βελτιστοποιημένων διαμορφώσεων με κριτήριο όχι μόνο την συμπεριφορά τους σε ονομαστικές συνθήκες λειτουργίας αλλά και τις επιδόσεις σε μια σειρά από άλλα πιθανά σημεία λειτουργίας. Τέλος συγκρίνονται τα χαρακτηριστικά του κινητήρα που σχεδιάστηκε με αυτά του υφιστάμενου κινητήρα τροχού στο όχημα λαμβάνοντας υπόψη τις απώλειες του μειωτήρα στροφών. Στις προσομοιώσεις χρησιμοποιήθηκαν τα λογισμικά πεπερασμένων στοιχείων FEMM και αριθμητικής ολοκλήρωσης διαφορικών εξισώσεων MATLAB.

Τhe present diploma thesis undertakes the design and optimization procedure of an electric motor designed for an electric vehicle drive system application, with targets minimization of loss, weight and volume. The electric motor is intended for a light electric vehicle prototype in order to participate in the European contest of prototype vehicles presenting low fuel consumption (Shell Eco Marathon). A reducing gear unit has been introduced in the drive train in order to exploit high speed ranges involving lighter and more efficient motors. Initially, the main motor performance and efficiency specifications are given. Subsequently, the the main motor characteristics are determined. In particular, a synchronous surface mounted permanent magnet motor configuration has been selected presenting low nominal power (~ 220 W), high rotational speed (~ 2000 rpm), high efficiency (> 90%), and a capability to provide high torque during acceleration. After a brief presentation of different electric drive systems developed for electric vehicle applications the main motor characteristics are determined. These specifications are defined by taking into consideration the existing vehicle prototype characteristics, the type of selected transmission, as well as the desired speeds and accelerations during the race. Based on these results, a preliminary design is performed by using standard dimensioning equations to estimate the main motor geometric characteristics. After a presentation of the parameters and automated algorithms used in the design procedure, the search of the optimal configuration is initiated by considering different combinations of slots / poles with concentrated single and double layer windings, taking into account the resulting maximum torque and its ripple, the voltage harmonic distortion, the efficiency and the weight. This procedure leads to the selection of a number of local optima on which sensitivity analysis will be carried out for nearly all geometrical parameters. The final geometry has been adopted by using as criterion not only the behavior at the nominal operating point but also the performance in a number of other frequent operating points. Finally a comparison between the designed motor and the wheel motor already existing on the vehicle is performed, taking into account the gear unit losses. In the developed code have been used the finite element software FEMM and the numerical integration of differential equations software MATLAB.