Σχεδίαση ηλεκτρικού κινητήρα για χρήση σε όχημα εξοικονόμησης ενέργειας

Η παρούσα εργασία πραγματεύεται τη σχεδίαση του κινητήρα πρόωσης για το νέο όχημα κατηγορίας «Urban Concept» της φοιτητικής ομάδας «Προμηθέας» του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, το οποίο πρόκειται να συμμετάσχει στο διαγωνισμό εξοικονόμησης ενέργειας «Shell Eco-Marathon». Αρχικά, παρουσιάζεται μια σύντομη επισκόπηση της τεχνολογίας των ηλεκτρικών οχημάτων καθώς και τα κύρια σημεία της σχεδίασης ηλεκτρικών μηχανών. Συγκεκριμένα, αναλύεται η πλειονότητα των υπαρχουσών τεχνολογιών ηλεκτρικών μηχανών, και βάσει των προτερημάτων και μειονεκτημάτων της καθεμίας, δικαιολογείται η απόφαση να σχεδιαστεί μία Σύγχρονη Μηχανή Επιφανειακών Μονίμων Μαγνητών. Στη συνέχεια, αναλύονται οι δυνάμεις που επενεργούν στο όχημα, προκειμένου να καθοριστούν οι προδιαγραφές του κινητήρα. Η διαδικασία περιλαμβάνει ένα αρχικό βήμα προκαταρκτικής σχεδίασης με στόχο τον προσδιορισμό των κύριων χαρακτηριστικών και διαστάσεων της μηχανής. Εξετάζονται οι εξής δύο εναλλακτικές τοπολογίες συστήματος μετάδοσης: η απ’ ευθείας σύνδεση του κινητήρα με τον άξονα του τροχού και η παρεμβολή ενός κιβωτίου ταχυτήτων με λόγο μετάδοσης 3:1 μεταξύ κινητήρα και τροχού. Με εκκίνηση την προκαταρκτική σχεδίαση και με χρήση αλγορίθμων παραμετρικής σχεδίασης και ανάλυσης γεωμετριών μηχανών, παράγονται δύο σύνολα γεωμετρικών διαμορφώσεων, ένα για κάθε τοπολογία συστήματος μετάδοσης. Τα προαναφερθέντα σύνολα σχηματίζονται μέσω μεταβολής διαφορετικών γεωμετρικών χαρακτηριστικών, όπως ο αριθμός των πόλων, η εξωτερική διάμετρος, το μήκος και ο αριθμός των ενεργών εν σειρά ελιγμάτων στις αύλακες του στάτη. Η ανάλυση ευαισθησίας παράγει περί τις 2.600 εναλλακτικές γεωμετρίες για κάθε διαμόρφωση του συστήματος μετάδοσης και ο στόχος της είναι να προσδιοριστούν οι εξωτερικές διαστάσεις και η βασική διαμόρφωση της μηχανής. Οι γεωμετρίες των μηχανών αξιολογούνται με βάση τη μάζα και την απόδοσή τους στην εκάστοτε ονομαστική κατάσταση λειτουργίας. Η σύγκριση των μηχανών βασίζεται στην κατανάλωση ενέργειας ανά χιλιόμετρο οδήγησης του οχήματος με την ονομαστική του ταχύτητα. Προκρίνεται μία γεωμετρία ανά διαμόρφωση κιβωτίου ταχυτήτων, με κριτήριο το μέγιστο βαθμό απόδοσης και την ελάχιστη μάζα, αλλά και με προϋπόθεση την επαρκή ικανοποίηση των προδιαγραφών επίδοσης του οχήματος. Ακολουθεί μία δεύτερη ανάλυση ευαισθησίας, κατά την οποία οι δύο επιλεγμένες γεωμετρίες μηχανών εξετάζονται περαιτέρω, με σκοπό να διαπιστωθεί εάν η μεταβολή των χαρακτηριστικών του εσωτερικού τους επιφέρει βελτίωση της απόδοσης ή ελάττωση της μάζας διατηρώντας ικανοποιητικά χαρακτηριστικά επίδοσης για την εφαρμογή. Αυτή η δεύτερη ανάλυση παράγει τον τελικό κινητήρα, ο οποίος επιλέγεται για χρήση στο όχημα. Τέλος, από την ανάλυση των προσομοιωμένων δεδομένων, μελετάται η επίδραση των εν σειρά ενεργών τυλιγμάτων στο χάρτη απόδοσης και στην ονομαστική ταχύτητα μιας Σύγχρονης Μηχανής Επιφανειακών Μονίμων Μαγνητών. Η ανάλυση πραγματοποιείται μέσω του λογισμικού MATLAB σε συνδυασμό με το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων FEMM.

This thesis is dedicated to the design of the traction electric motor that will be used in the new Urban Concept car of the “Prometheus” student team from the National Technical University of Athens, which is going to compete at the “Shell Eco-Marathon” competition. First, a short overview of electric vehicle technology and the fundamentals of electric machine design are presented. The majority of the existing motor technologies is analysed and based on the advantages and disadvantages, the choice of designing a Surface Mounted Synchronous Permanent Magnet Motor is explained. Second, the specifications of the motor are set following a dynamic analysis of the urban concept car. Afterwards, a preliminary design process is explained in order to extract the outer dimensions and characteristics of the motor in case a gearbox with no reduction ratio or a gearbox with a reduction ratio of 3:1 is used. Following the preliminary analysis, using a parametric design algorithm, two clouds of motors are formed, one for each gearbox configuration. The clouds are formed by scanning different geometrical parameters of the motors, such as the number of poles, the stator outer diameter, the length and the effective turns. The sensitivity analysis produces approximately 2.600 motors for each configuration. The motors are evaluated based on their mass and efficiency on their respective nominal operating condition, as well as based on the comparison of their energy consumption over a given route. One motor per gearbox configuration is selected according to the criteria mentioned and its metrics are presented. The two selected motors are further examined in order to investigate whether by altering their microgeometrical characteristics, their efficiency is enhanced or their mass decreased, without compromising their power. This second analysis produces the finalized motor, which is selected to be fitted in the urban concept car. Lastly, from the analysis of the simulated data the impact of the effective turns on each Surface Mounted Synchronous Permanent Magnet Motor’s efficiency map and base speed is summarized. The entire analysis is carried out using MATLAB coupled with the finite elements software FEMM.