Σχεδιασμός και κατασκευή κινητήρων μονίμων μαγνητών για ηλεκτρικά οχήματα

Λάσκαρης, Κωνσταντίνος Ι.; Laskaris, Konstantinos I.

Design and construction of permanent magnet motors for electric vehicles

Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Ηλεκτρικής Ισχύος. Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών και Ηλεκτρονικών Ισχύος

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνώνται οι μεθοδολογίες σχεδίασης και κατασκευής ηλεκτρικών Συγχρόνων Μηχανών Μονίμων Μαγνητών, κατάλληλων για συστήματα ηλεκτρικής κίνησης οχημάτων. Γίνεται ενδελεχής μελέτη της βελτιστοποίησης της γεωμετρίας των ηλεκτρικών κινητήρων ώστε να αναδειχθούν τα προβλήματα και οι ιδιαιτερότητες που έχουν οι μηχανές που προορίζονται για εφαρμογές μεταβλητής ταχύτητας. Η διατριβή έχει ως στόχο τη διερεύνηση των σχεδιαστικών μεθοδολογιών, οι οποίες επιτρέπουν τον προσδιορισμό βέλτιστων διαμορφώσεων μηχανών μονίμων μαγνητών, όταν οδηγούνται υπό συγκεκριμένες στρατηγικές ελέγχου. Κατά τη διερεύνηση των προβλημάτων, αναλύονται και απομονώνονται τα επιμέρους είδη απωλειών και υπολογίζεται η συνεισφορά κάθε είδους, μέσω καταλλήλων προσομοιώσεων και πειραμάτων. Προτείνονται σχεδιαστικές διαμορφώσεις στις υφιστάμενες τεχνολογίες προκειμένου να μειωθούν οι απώλειες, να αυξηθεί η πυκνότητα ισχύος, να επεκταθεί το εύρος ταχυτήτων και να μειωθεί το κόστος και η κατασκευαστική δυσκολία. Εξετάζονται λεπτομερώς και συγκρίνονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα που προκύπτουν από τη χρήση μίας σχέσης μετάδοσης ή από την απευθείας ζεύξη ηλεκτρικών μηχανών στους τροχούς των οχημάτων, σε σύγκριση με τη χρήση κιβωτίου ταχυτήτων και αναλύεται η στρατηγική ελέγχουν σταθερής ροπής – σταθερής ισχύος. Αναφορικά με αυτή τη στρατηγική ελέγχου, διερευνάται η καταλληλότητα μηχανών επιφανειακών και εσωτερικών μαγνητών υπό συνθήκες υπερφόρτισης ροπής (over torque) και εξασθένισης πεδίου (field weakening) και σχεδιάζονται γεωμετρίες που επιτυγχάνουν κατάλληλο συμβιβασμό μεταξύ αμοιβαίως αντιμαχόμενων κριτηρίων με τον βέλτιστο δυνατό τρόπο. Διερευνώνται οι δυνατότητες των τυλιγμάτων κλασματικής αύλακας σε μηχανές μονίμων μαγνητών (ΜΜΜ) για εφαρμογές μεγάλης πυκνότητας ισχύος, ενώ ταυτόχρονα αναδεικνύονται τα λειτουργικά και κατασκευαστικά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με τις ΢ΜΜΜ τυλιγμάτων πλήρους βήματος παρόμοιων προδιαγραφών. Σα προσομοιωμένα χαρακτηριστικά και οι προτεινόμενες διαμορφώσεις επιβεβαιώνονται πειραματικά με την κατασκευή δοκιμίων για τις βέλτιστες γεωμετρίες.

The present doctoral thesis investigates the design methodologies and manufacturing procedures of Permanent Magnet Synchronous Machines, suitable for electric traction applications of electric vehicles. An appropriate analysis is undertaken in order to identify the problems and the particularities of traction motors that are intended to be used in variable speed drives. Specific design methodologies are developed in order to derive optimal motor configurations involving constant power control strategies. The different types of magnetic losses are analyzed and the contribution of each type is quantified by means of appropriate simulations and experiments. Design solutions are proposed in order to ensure decreased losses, increased power density, extended speed range as well as reduced cost and constructional difficulty. Finally the thesis analyses in depth the advantages and disadvantages resulting from the use of single gear transmission or from the direct coupling of electric motor on the vehicle wheels. An appropriate mathematical tool provides benchmark of the suitability of the combined configurations of motors with transmission ratios, for constant torque – constant power control. The operation of surface and internal permanent magnet motors under conditions of torque boost and field weakening is analyzed and finally an optimal configuration providing a good compromise between mutually exclusive characteristics is proposed. The use of fractional slot concentrated windings is analyzed with respect to their suitability for high power density applications while the advantages and drawbacks compared to full pitch windings are studied. The operational characteristics of the proposed configurations are experimentally validated by manufacturing and measuring appropriate prototypes.