Σχεδίαση και βελτιστοποίηση λειτουργίας κινητήρων μονίμων μαγνητών
Authors: Κρασόπουλος Χρήστος 
Published: September 2021

Στην παρούσα εργασία επιχειρείται η ανάπτυξη σύνθετων μεθόδων βελτιστοποίησης πολλαπλών κριτηρίων για τον προσδιορισμό γεωμετριών ηλεκτρικών μηχανών μονίμων μαγνητών και μεθοδολογιών διαχείρισης ενέργειας αμιγώς ηλεκτρικών οχημάτων. Στα πλαίσια της ερευνητικής διαδικασίας αναπτύχθηκαν υβριδικές στρατηγικές νοημοσύνης σμήνους που επιτυγχάνουν ταχύτερη και πιο αξιόπιστη επίλυση, ενώ παράλληλα επιτρέπουν αποτελεσματικά τη θεώρηση πολλαπλών σημείων λειτουργίας και κατασκευαστικών αβεβαιοτήτων με τη βοήθεια αλγορίθμων εκμάθησης μηχανής. Εξετάστηκαν τοπολογίες επιφανειακού μαγνήτη εσωτερικού και εξωτερικού δρομέα, χαμηλής και υψηλής ταχύτητας, με συγκεντρωμένα τυλίγματα κλασματικής αύλακας, μέσω της ανάπτυξης αυτοματοποιημένων παραμετρικών μοντέλων που βασίζονται σε αναλύσεις πεπερασμένων στοιχείων. Αντίστοιχα, κατασκευάστηκαν δυναμικά μοντέλα προσομοίωσης της κίνησης ηλεκτρικών οχημάτων με δυνατότητα θεώρησης των ελεγκτών ταχύτητας και ροπής και υπολογισμού της καταναλισκόμενης ενέργειας μέσω του χάρτη απόδοσης του κινητηρίου συστήματος. Όλες οι μέθοδοι που αναπτύχθηκαν επιβεβαιώθηκαν πειραματικά και πιστοποιήθηκαν τα πλεονεκτικά τους χαρακτηριστικά. Πιο συγκεκριμένα, αρχικά, αναπτύχθηκε διαδικασία πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης που βασίζεται σε μετα-ευρετικούς αλγορίθμους νοημοσύνης σμήνους για το σχεδιασμό 16-πολικής μηχανής επιφανειακών μαγνητών εξωτερικού δρομέα σε ένα σημείο λειτουργίας για εφαρμογή πρότυπου ελαφρού ηλεκτρικού οχήματος εξοικονόμησης ενέργειας. Η προτεινόμενη στρατηγική επέδειξε γρηγορότερη και πιο αξιόπιστη σύγκλιση σε σχέση με γνωστότερους και καταξιωμένους αλγορίθμους της ίδιας κλάσης βάσει δοκιμών τόσο σε ακολουθία μαθηματικών συναρτήσεων διαβαθμισμένης δυσκολίας όσο και στην εφαρμογή της ηλεκτρικής μηχανής μονίμων μαγνητών. Σε επόμενο στάδιο αναπτύχθηκε σύνθετη μεθοδολογία βελτιστοποίησης πολλαπλών κριτήριων που επιτυγχάνει τον υπολογισμό του συνολικού χάρτη απόδοσης 2-πολικής μηχανής εσωτερικού δρομέα και κατ’ επέκταση της συνολικής καταναλισκόμενης ενέργειας ενός ηλεκτρικού οχήματος στον οδηγικό κύκλο με χρήση δυναμικού μοντέλου. Βασικό πλεονέκτημα της στρατηγικής είναι η ανάπτυξη υποκατάστατης μοντελοποίησης μέσω ενός αλγορίθμου εκμάθησης μηχανής και ενός επαναληπτικού σχήματος εκπαίδευσης από αποτελέσματα πεπερασμένων στοιχείων που ελαχιστοποιεί το σφάλμα πρόβλεψης. Επιχειρήθηκε εντοπισμός των τάσεων των βέλτιστων λύσεων τόσο στο χώρο αποτίμησης όσο και στο χώρο αναζήτησης και η διαδικασία επιβεβαιώθηκε πειραματικά μέσω της κατασκευής πρωτοτύπου μηχανής και διεξαγωγής μετρήσεων. Σε επόμενο βήμα διατυπώνεται ένα καινούριο κριτήριο ευρωστίας κατάλληλο για θεώρηση αυτής σε προβλήματα βελτιστοποίησης πολλών κριτηρίων. Η προκύπτουσα μεθοδολογία δοκιμάζεται σε μαθηματικές συναρτήσεις και εφαρμόζεται στο βέλτιστο εύρωστο σχεδιασμό 2-πολικής μηχανής υψηλής ταχύτητας με τη βοήθεια αλγορίθμου εκμάθησης μηχανής ώστε να επιτευχθεί εφικτή υπολογιστική πολυπλοκότητα του προβλήματος. Κατόπιν επιχειρείται η μοντελοποίηση και πειραματική επιβεβαίωση θερμικών και μηχανικών φαινομένων, των οποίων η μελέτη είναι απαραίτητη στο πεδίο εφαρμογών της υψηλής ταχύτητας. Πραγματοποιείται δηλαδή θερμική, αξονοδυναμική και δομική ανάλυση της διπολικής μηχανής μονίμων μαγνητών για τον προσδιορισμό του μέγιστου εφικτού ορίου περιστροφής της βάσει των γεωμετρικών χαρακτηριστικών της κατασκευής και των υλικών που χρησιμοποιούνται. Διερευνάται ακόμη η επίπτωση της μεταβολής των διαφόρων γεωμετρικών χαρακτηριστικών του δρομέα στη μέγιστη ταχύτητα περιστροφής. Τέλος, προτείνεται μεθοδολογία βελτιστοποίησης της ενεργειακής κατανάλωσης και της χρονικής διάρκειας διαδρομής ηλεκτρικού οχήματος μέσω της εύρεσης κατάλληλων κατανομών ταχύτητας και ροπής επιτρέποντας μικρή ελεγχόμενη υπερφόρτιση του κινητηρίου συστήματος. Η στρατηγική βασίζεται σε αυτοτελή βήματα και προτεινόμενη τεχνική κατάτμησης της διαδρομής βάσει των υψομετρικών χαρακτηριστικών. Προσομοιώσεις με χρήση δυναμικού μοντέλου και πειραματικά αποτελέσματα σε πραγματικές οδηγικές συνθήκες επιβεβαιώνουν τα σημαντικά οφέλη σε σχέση με την κλασσική τεχνική οδήγησης με σταθερή ταχύτητα.