Design methods for high power density permanent magnet motors and high efficiency induction motors
Authors: Χασιώτης Ιωάννης-Ειρηναίος 
Published: October 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην ανάπτυξη μεθόδων σχεδιασμού σύγχρονων κινητήρων μόνιμων μαγνητών (ΣΚΜΜ) υψηλής πυκνότητας ισχύος και επαγωγικών κινητήρων (ΕΚ) υψηλής απόδοσης. Συγκεκριμένα, στο δεύτερο μέρος της διατριβής προτείνονται μεθοδολογίες σχεδιασμού για τριφασικούς ΣΚΜΜ χαμηλών στροφών, οι οποίοι συμμετέχουν σε ένα σύστημα άμεσης μετάδοσης κίνησης που θα χρησιμοποιηθεί σε τρεις διαφορετικές εφαρμογές (για την κίνηση αναδευτήρα σε μονάδα επεξεργασίας λυμάτων, σε σύστημα έλξης τοποθετημένο εντός του τροχού ενός ηλεκτρικού οχήματος και σε αζιμουθιακό σύστημα πρόωσης πλοίου τύπου pod). Στην περίπτωση του αναδευτήρα λυμάτων ένας κατάλληλα σχεδιασμένος και πιο αποδοτικός ΣΚΜΜ αντικαθιστά ένα πραγματικό σύστημα, το οποίο αποτελείται από έναν επαγωγικό κινητήρα και ένα κιβώτιο ταχυτήτων. Καθώς τίθενται τρεις στόχοι (δηλαδή υψηλή απόδοση, ελαχιστοποίηση μάζας και ελαχιστοποίηση κόστους), η μέθοδος σχεδιασμού βασίζεται στην επίλυση ενός προβλήματος βελτιστοποίησης, όπου τρεις διαφορετικές αντικειμενικές συναρτήσεις εξετάζονται. Η συνολική προσέγγιση σχεδιασμού περιλαμβάνει: α) τη χρήση αναλυτικών εξισώσεων με στόχο τη μείωση του αριθμού των μεταβλητών αναζήτησης και τη διασφάλιση της μη παραβίασης των περιορισμών, β) την εκτέλεση ενός αλγόριθμου βελτιστοποίησης και γ) την πραγματοποίηση προσομοιώσεων με τη χρήση της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων για τον προσδιορισμό της λειτουργίας του κινητήρα. Επίσης, διερευνάται η αποτελεσματικότητα τριών αλγόριθμων βελτιστοποίησης (γενετικός αλγόριθμος, αλγόριθμος βελτιστοποίησης σμήνους σωματιδίων και αλγόριθμος βελτιστοποίησης των γκρίζων λύκων) όσον αφορά: α) στην ποιότητα των λύσεων, β) στα χαρακτηριστικά σύγκλισης, γ) στο υπολογιστικό κόστος και δ) στην πολυπλοκότητα υλοποίησης. Στην περίπτωση του ΣΚΜΜ που αποτελεί μέρος του συστήματος άμεσης μετάδοσης κίνησης ενός ηλεκτρικού οχήματος, η προτεινόμενη μέθοδος σχεδιασμού συνδυάζει τον αντικειμενοστραφή προγραμματισμό, τις τεχνικές τεχνητής νοημοσύνης και την τεχνολογία σχεδιασμού με τη βοήθεια υπολογιστή ώστε να προτείνει εξατομικευμένες λύσεις. Για τον σκοπό αυτό, δημιουργείται η αρχιτεκτονική ενός συστήματος βασισμένο στη γνώση. Αυτή είναι η πρώτη φορά που ένα τέτοιο σύστημα χρησιμοποιείται για την επίλυση προβλήματος σχεδιασμού ηλεκτρικών μηχανών. Το σύστημα αυτό περιέχει πληροφορίες και συνδυάζει έναν αλγόριθμο βελτιστοποίησης και μία ομάδα κανόνων για τον προσδιορισμό μίας αξιόπιστης λύσης. Μέσω αυτής της διαδικασίας επιδιώκεται: α) η δημιουργία γεωμετριών ΣΚΜΜ που παρουσιάζουν τα επιθυμητά χαρακτηριστικά λειτουργίας και β) η διερεύνηση των μέγιστων δυνατών τιμών για την πυκνότητα ισχύος και πυκνότητα ροπής του υπό μελέτη κινητήρα. Γίνεται σύγκριση μεταξύ των τιμών που επιτυγχάνονται μέσω της διαδικασίας σχεδιασμού με τις αντίστοιχες τιμές που συναντώνται σε ηλεκτρικούς κινητήρες που έχουν ήδη εγκατασταθεί σε συστήματα κίνησης ηλεκτρικών οχημάτων και υβριδικών οχημάτων. Οι τελικές τοπολογίες των ΣΚΜΜ αξιολογούνται και συγκρίνονται μεταξύ τους ως προς την απόδοση, τις απαιτήσεις ρεύματος, τη ροπή ευθυγράμμισης, την κυμάτωση ροπής, το αρμονικό περιεχόμενο της φασικής επαγόμενης τάσης, την ικανότητα παροχής ροπής και άλλα λειτουργικά χαρακτηριστικά. Επιπλέον, δίνεται έμφαση στη θερμική ανάλυση της μηχανής εξαιτίας της λειτουργίας σε πολύ περιορισμένο χώρο όπου η ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ του ΣΚΜΜ και του περιβάλλοντος δεν είναι ομαλή. Η εγκατάσταση ενός συστήματος ψύξης είναι απαραίτητη για την αποφυγή ανάπτυξης υπερβολικά υψηλών τιμών θερμοκρασίας. Η μελέτη των ήδη προτεινόμενων συστημάτων ψύξης αποκαλύπτει ότι πολλές από τις διαθέσιμες διατάξεις δεν είναι κατάλληλες για τον ΣΚΜΜ που μελετάται εδώ εξαιτίας του πολύ μικρού αξονικού μήκους του. Συνεπώς, αναλύεται και μελετάται ένα σύστημα ψύξης που τοποθετείται στην εσωτερική περιφέρεια του στάτη. Η ικανότητα ψύξης του συστήματος αυτού αξιολογείται μέσω της ανάλυσης με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων υπό διαφορετικές συνθήκες φόρτισης του κινητήρα και χρησιμοποιώντας ένα πολύ λεπτομερές θερμικό μοντέλο που περιλαμβάνει το κέλυφος, τη ζάντα και το ελαστικό, ενώ ταυτόχρονα λαμβάνει υπόψη του τις συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης που επικρατούν. Ο σχεδιασμός του καναλιού ψύξης και η επιλογή του ψυκτικού μέσου αναλύονται και σχολιάζονται. Επιπρόσθετα, προτείνεται προσέγγιση για τη μοντελοποίηση της θέρμανσης του ψυκτικού μέσου και τον επαναπροσδιορισμό των πηγών θερμότητας, της θερμικής αγωγιμότητας των υλικών και τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή του ρευστού σύμφωνα με τα αποτελέσματα της θερμικής ανάλυσης. Εν τέλει, πραγματοποιείται πλήθος διερευνήσεων σχετικά με την επίδραση του ρυθμού ροής του ψυκτικού μέσου και της θερμοκρασίας εισόδου του στην απόδοση του συστήματος ψύξης και την κατανομή της θερμοκρασίας στον κινητήρα. Για τον σχεδιασμό του ΣΚΜΜ στην περίπτωση ενός αζιμουθιακού συστήματος ψύξης τύπου pod, μία γενική πολυ-κριτηριακή προσέγγιση σχεδίασης συνδυάζεται με μία μέθοδο βελτιστοποίησης ώστε να συνθέσουν μία ολοκληρωμένη και αποτελεσματική μεθοδολογία. Αρχικά, η προπέλα του πλοίου σχεδιάζεται και βελτιστοποιείται. Η λειτουργία της προπέλας προσδιορίζεται μέσω του λογισμικού OpenProp και στη συνέχεια τα λειτουργικά χαρακτηριστικά του κινητήρα καθορίζονται από το προφίλ ισχύος-ταχύτητας και ροπής-ταχύτητας της προπέλας. Στη συνέχεια, πολλοί περιορισμοί που επιβάλλονται από την εφαρμογή διευκρινίζονται και ενσωματώνονται. Η πολυ-κριτηριακή προσέγγιση σχεδιασμού επικεντρώνεται στην αύξηση της πυκνότητας ισχύος του ΣΚΜΜ και στη βελτίωση της ικανότητας ανοχής του σε σφάλματα. Για να επιτευχθούν τα ανωτέρω, επιλέγεται ο κατάλληλος τύπος τυλίγματος του στάτη και προτείνονται και εφαρμόζονται στρατηγικές για την κατάλληλη επιλογή: α) του συνδυασμού πόλων/αυλακιών και β) του λόγου της διαμέτρου του κινητήρα προς το αξονικό μήκος του. Η επίδραση των παραπάνω παραμέτρων στην απόδοση, τον συντελεστή ισχύος, την αυτεπαγωγή του τυλίγματος, το κόστος και τη μάζα των μαγνητών αποτυπώνεται με τη βοήθεια ενός εργαλείου σχεδίασης που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής. Το εργαλείο αυτό περιλαμβάνει μία κύρια ρουτίνα και μερικές υπο-ρουτίνες. Ο υπολογισμός των διαστάσεων των δοντιών του στάτη και των διαστάσεων των μόνιμων μαγνητών πραγματοποιείται μέσω των υπο-ρουτινών. Ιδιαίτερη προσοχή παρέχεται στην αποτροπή της απομαγνήτισης των μαγνητών και τον περιορισμό του πλάτους του ρεύματος υπό συνθήκες σφάλματος. Μέσω της μετα-επεξεργασίας των αποτελεσμάτων καταγράφονται πολύτιμες παρατηρήσεις και παρέχονται οδηγίες που θα μπορούσαν να είναι χρήσιμες για τους σχεδιαστές και κατασκευαστές αζιμουθιακών συστημάτων πρόωσης. Στη συνέχεια, καθορίζονται κριτήρια ώστε ο ΣΚΜΜ να αποκτήσει μία πιο "ισορροπημένη" λειτουργία. Παρόλο που οι προτεινόμενες τελικές διαμορφώσεις ΣΚΜΜ παρουσιάζουν το σύνολο των επιθυμητών χαρακτηριστικών, βελτιστοποιούνται περαιτέρω όσον αφορά στην ελαχιστοποίηση των απωλειών και της κυμάτωσης της ροπής χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο των συμβιωτικών οργανισμών. Στο τρίτο μέρος της διατριβής εισάγεται μεθοδολογία σχεδιασμού με στόχο τη βελτίωση της απόδοσης μονοφασικών επαγωγικών κινητήρων (ΕΚ) με πυκνωτή μόνιμης λειτουργίας. Οι τυπικές τιμές απόδοσης των μονοφασικών ΕΚ δεν είναι υψηλότερες από 78% (ακόμη και όταν η ονομαστική ισχύ εξόδου του κινητήρα είναι ίση ή μεγαλύτερη από 1.0 HP). Οι τιμές αυτές δεν συνάδουν με τα πρόσφατα πρότυπα απόδοσης για τους ηλεκτρικούς κινητήρες και τις βιομηχανικές τάσεις. Οι νέες κλάσεις απόδοσης επιβάλλουν σημαντικά υψηλότερες απαιτήσεις ελάχιστης απόδοσης. Οι μέχρι τώρα ερευνητικές προσπάθειας δεν έχουν συμβάλει στη βελτίωση της απόδοσης του κινητήρα χωρίς να επηρεαστεί αρνητικά η ροπή εκκίνησης του. Αυτό το ζήτημα αντιμετωπίζεται εδώ ακολουθώντας τα παρακάτω βήματα. Αρχικά, προτείνεται μία εναλλακτική προσέγγιση για την επιλογή των βασικών διαστάσεων του κινητήρα. Η προσέγγιση αυτή λαμβάνει υπόψη της τις διαστάσεις των εμπορικά διαθέσιμων κελυφών (καθορίζονται από τα πρότυπα IEC-60072/1 και ANSI/NEMA MGI-2011) και καταλήγει σε μία τοπολογία με πολύ μεγαλύτερο αξονικό μήκος σε σχέση με το αντίστοιχο της κλασικής μεθοδολογίας σχεδιασμού. Στη συνέχεια, πραγματοποιείται μελέτη ευαισθησίας για την αποτύπωση της επίδρασης: α) του συνδυασμού του αριθμού των αυλακιών στάτη/ράβδων δρομέα, β) του υλικού του βραχυκυκλωμένου κλωβού του δρομέα, γ) της τιμής της χωρητικότητας του πυκνωτή και δ) των γεωμετρικών παραμέτρων της ράβδου του δρομέα στην απόδοση, τον συντελεστή ισχύος, τη διαφορά φάσης ανάμεσα στα ρεύματα του κύριου και του βοηθητικού τυλίγματος, τη ροπή εκκίνησης, το ρεύμα εκκίνησης, την ολίσθηση και τη συνολική μάζα του κινητήρα. Αξιοποιώντας τα αποτελέσματα αυτής της ανάλυσης, πραγματοποιείται μία νέα διερεύνηση μεταβάλλοντας ταυτόχρονα την επιφάνεια της διατομής της ράβδου του δρομέα, την τιμή της χωρητικότητας του πυκνωτή και τον λόγο των σπειρών του κύριου προς το βοηθητικό τύλιγμα. Μέσω αυτού του βήματος και την αξιολόγηση των τοπολογιών που προκύπτουν, αποκαλύπτονται οι μηχανισμοί που επηρεάζουν την απόδοση και τη ροπή εκκίνησης του ΕΚ. Είναι σαφές ότι η αύξηση του αξονικού μήκους του ΕΚ σε συνδυασμό με τις κατευθύνσεις που δίνονται εδώ σχετικά με την επιλογή των λοιπών γεωμετρικών χαρακτηριστικών είναι ευεργετική για την επίτευξη των στόχων που έχουν τεθεί. Υπό τις κατάλληλες συνθήκες (δηλαδή ορθή επιλογή του εμβαδού της διατομής της ράβδου, της τιμής της χωρητικότητας του πυκνωτή και του λόγου των σπειρών), η ικανοποιητική ροπή εκκίνησης συνδυάζεται με απόδοση τουλάχιστον ίση ή υψηλότερη από την ελάχιστη που επιβάλει η κλάση απόδοσης IE3. Η μεθοδολογία σχεδιασμού που αναπτύσσεται περιορίζει σημαντικά το εύρος αναζήτησης των κρίσιμων παραμέτρων σχεδιασμού και μειώνει την πολυπλοκότητα του προβλήματος και τον υπολογιστικό χρόνο επίλυσης του. Βασίζεται σε λύσεις/τροποποιήσεις χαμηλού κόστους, οι οποίες θα έχουν ελάχιστο αντίκτυπο στους κατασκευαστές. Η αποτελεσματικότητα της μεθοδολογίας σχεδιασμού επαληθεύεται μέσω της εφαρμογής της σε μονοφασικούς ΕΚ με διαφορετική ισχύ εξόδου και προδιαγραφές. Τέλος, η γενίκευση της μεθόδου αποδεικνύεται μέσω της εφαρμογής της σε κινητήρες με: α) διαφορετικό σχήμα ράβδου και β) κλωβό του δρομέα κατασκευασμένο από αλουμίνιο και μαγνήσιο. Στην πρώτη περίπτωση πραγματοποιείται λεπτομερής σύγκριση μεταξύ των διάφορων τοπολογιών που έχουν προκύψει και εξάγονται συμπεράσματα που δεν περιέχονται στη διαθέσιμη βιβλιογραφία. Στη δεύτερη περίπτωση, τα αποτελέσματα της σύγκρισης αποδεικνύουν ότι μονοφασικοί ΕΚ με την επιθυμητή απόδοση μπορούν να προκύψουν και όταν χρησιμοποιείται αλουμίνιο και μαγνήσιο αντί του χαλκού για τον κλωβό του δρομέα.