Σχεδίαση και κατασκευή κινητήρα μονίμων μαγνητών για πρότυπο ηλεκτρικό όχημα

Κρασόπουλος, Χρήστος Θ.; Krasopoulos, Christos T.

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 οχήματος, χρησιμοποιώντας ως κύριο κριτήριο βελτιστοποίησης τη μείωση των απωλειών, του βάρους και του όγκου. Το όχημα για το οποίο σχεδιάζεται και κατασκευάζεται ο κινητήρας προορίζεται να συμμετάσχει σε ευρωπαϊκό διαγωνισμό πρότυπων μονοθέσιων οχημάτων οικονομικής μετακίνησης. Η εργασία σε ένα πρώτο βήμα προσδιορίζει τις προδιαγραφές των κύριων λειτουργικών χαρακτηριστικών του κινητήρα και σε ένα δεύτερο βήμα αναπτύσσει τη μελέτη σχεδίασης και διαμόρφωσης όλων των συνιστωσών του. Συγκεκριμένα, ο σύγχρονος κινητήρας μονίμων επιφανειακών μαγνητών χαρακτηρίζεται από χαμηλή ισχύ (~ 220 W), χαμηλή ταχύτητα περιστροφής ( ~ 300 Σαλ), και ταυτόχρονα πολύ υψηλή απόδοση (> 90%), με δυνατότητα παροχής υψηλής ροπής εκκινήσεως. Αρχικά, πραγματοποιείται μία σύντομη παρουσίαση του ηλεκτροκίνητου οχήματος ως εφαρμογή και των διαφορετικών συστημάτων κίνησης που υπάρχουν. Κατόπιν αυτού θα διερευνηθούν οι προδιαγραφές που θα πρέπει να έχει ο κινητήρας που θα κατασκευαστεί. Αυτές οι προδιαγραφές ορίζονται βάσει του οχήματος στο οποίο θα τοποθετηθεί, τον τρόπο με τον οποίο θα κινεί το αυτοκίνητο και της μορφής των ταχυτήτων και των επιταχύνσεων στον αγώνα. Βάσει των αποτελεσμάτων της προηγούμενης διαδικασίας θα επιχειρηθεί μία προκαταρκτική σχεδίαση με την χρήση θεωρητικών σχέσεων για τον προσδιορισμό των βασικών διαστάσεων του κινητήρα. Αργότερα θα γίνει η επεξήγηση των μεταβλητών που επιλέχθηκαν για την παραμετροποιημένη σχεδίαση και του προγράμματος που δημιουργήθηκε προκειμένου να γίνονται οι επιθυμητές προσομοιώσεις των εκάστοτε σχεδιαζόμενων γεωμετριών και οι αναλύσεις ευαισθησίας αυτών. Στην επόμενη παράγραφο, αφού οριστικοποιηθούν μέσω προσομοιώσεων οι βασικές διαστάσεις του κινητήρα, θα ξεκινήσει η διερεύνηση της βέλτιστης διαμόρφωσης ανάμεσα από πολλούς διαφορετικούς συνδυασμούς αυλακών/πόλων με συγκεντρωμένα τυλίγματα μονής και διπλής στρώσης συμπεριλαμβανομένης και της γεωμετρίας άνισων δοντιών, εξετάζοντας ένα σύνολο μεγεθών που περιλαμβάνουν την μέγιστη ροπή που αποδίδει ο κινητήρας, την κυμάτωση αυτής, την αρμονική παραμόρφωση της τάσης, την απόδοση, το βάρος και άλλα. Κατόπιν αυτών, θα επιλεχθούν οι ιδανικότερες διαμορφώσεις και αυτές θα εξερευνηθούν περαιτέρω χρησιμοποιώντας αναλύσεις ευαισθησίας, πάνω στα περισσότερα θεωρητικά μετρήσιμα μεγέθη που απαριθμήθηκαν και πρωτύτερα. Εκτός αυτού, θα επιχειρηθεί η ανάλυση ευαισθησίας σε δύο λειτουργικά σημεία και θα συνεκτιμηθεί η αναγκαιότητα της. Ιδιαίτερη προσοχή θα δοθεί και στην γεωμετρία στάτη με άνισα δόντια, στην οποία θα γίνει εκτενής ανάλυση. Συνεπώς θα γίνει μία σύγκριση σε όλα τα επίπεδα και συνυπολογίζοντας παράγοντες όπως η πολυπλοκότητα της κατασκευής, η αξιοπιστία κ.α., θα γίνει η τελική επιλογή της βέλτιστης γεωμετρίας. Τέλος, θα γίνει μία παράθεση των σχεδίων και των μοντέλων που χρησιμοποιήθηκαν κατά την διαδικασία της συναρμολόγησης του κινητήρα καθώς και φωτογραφίες από το τελικό αποτέλεσμα. Στις προσομοιώσεις που έγιναν 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 application to an electric vehicle drive system, emphasizing on loss, weight and volume minimization. The electric motor is intended for a light electric vehicle application in the frame of participation in the European contest of prototype vehicles presenting low fuel consumption (Shell Eco Marathon). Initially, the main motor performance and efficiency specifications are prescribed. Subsequently, the design study is performed in order to enable all motor components to meet the specified technical standards. In particular, the synchronous surface mounted permanent magnet motor presents low nominal power (~ 220 W), low rotational speed (~ 300 rpm), a very high efficiency (> 90%), and the capability of providing a high torque output during acceleration. Initially, the application of electric vehicles is presented in short, as well as different electric drive systems. Then, the specifications that the motor is supposed to have will be investigated. These specifications are defined by the vehicle in which it will be placed, the type of transmission used, and also the form of speeds and accelerations during the race. Based on the results of the previous process, a preliminary design will be attempted with the use of theoretical equations for the determination of the basic dimensions of the engine. Later on, the variables used in the parametric design will be explained, as well as the program that was created, so that the desirable simulations and sensitivity analyses of the designed geometries take place. In the next paragraph, after the basic dimensions of the engine are defined via simulations, the investigation of the most optimal configuration will take place among different slot/pole combinations with single and double layer concentrated windings, as well as unequal stator teeth geometry, examining motor characteristics such as the maximum torque ability, torque ripple, voltage harmonic distortion, efficiency, weight and others. Afterwards, the most ideal configurations will be selected and explored further, acquiring sensitivity analyses that will be carried out over the theoretically measurable attributes that were enumerated previously. Moreover, the sensitivity analysis will be attempted in two functional points and its necessity will be evaluated. Particular attention will also be given in the unequal stator teeth geometry, which will be extensively explored. Consequently, a comparison over all the measured attributes will take place, including factors such as the complexity of assembling and reliability, in order to conclude at the final choice of the optimal geometry. In the end, all the drawings and models that were used during the assembling process will be presented, as well as photographs from the assembled motor. The software tools used for simulation were the finite elements software, FEMM and the numerical integration software of differential equations, MATLAB.