Θερμική και μηχανική ανάλυση κινητήρα μονίμων μαγνητών υψηλής ταχύτητας - Κορωνίδης, Αντώνης (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών. Τομέας Ηλεκτρικής Ισχύος, 2017)
Οι ηλεκτρικές μηχανές υψηλών ταχυτήτων αποτελούν ένα σύγχρονο πεδίο έρευνας με πληθώρα νέων δημοσιεύσεων και με συνεχώς αυξανόμενο ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια λόγω της εμφάνισης νέων απαιτήσεων με στόχο την αύξηση της αποδοτικότητας και της αξιοπιστίας, και τον ταυτόχρονο περιορισμό του όγκου και της μάζας της μηχανής. Οι μηχανές μονίμων μαγνητών κυριαρχούν στο πεδίο των εφαρμογών υψηλών ταχυτήτων, δεδομένου ότι επιτυγχάνουν υψηλή απόδοση και πυκνότητα ισχύος και χαμηλό ακουστικό θόρυβο. Η παρούσα διπλωματική εργασία επιχειρεί τη θερμική και μηχανική ανάλυση ενός πρότυπου σύγχρονου κινητήρα μονίμων μαγνητών, μικρού όγκου και βάρους, χαμηλής ισχύος (~3.2kW), υψηλής απόδοσης (>90%) για τον οποίο έχει τεθεί ως κύριος στόχος να λειτουργεί σε υψηλές ταχύτητες (~30.000ΣΑΛ). Σκοπός είναι η συνδυασμένη μελέτη της θερμοκρασιακής κατανομής στη μηχανή και της δομικής αντοχής της και αξονοδυναμικής της συμπεριφοράς. Σε πρώτο στάδιο παρουσιάζονται αναλυτικά οι τρόποι μετάδοσης θερμότητας στο εσωτερικό των ηλεκτρικών μηχανών καθώς και οι μαθηματικές σχέσεις που περιγράφουν τους μηχανισμούς αυτούς. Στη συνέχεια προσομοιώνεται η θερμική συμπεριφορά του πρότυπου κινητήρα με χρήση δύο προγραμμάτων πεπερασμένων στοιχείων, όπου υπολογίζεται λεπτομερώς η τοπική κατανομή των θερμοκρασιών σε κάθε σημείο της γεωμετρίας του. Αρχικά πραγματοποιείται δυσδιάστατη ανάλυση για τη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας του κινητήρα τόσο σε εγκάρσια τομή όσο και σε τομή παράλληλη στον άξονα περιστροφής της μηχανής. Ακολούθως επιχειρείται τρισδιάστατη μοντελοποίηση του κινητήρα τόσο για τη μόνιμη όσο και για την μεταβατική κατάσταση λειτουργίας. Τέλος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από πειραματικές μετρήσεις και συγκρίνονται με τα αντίστοιχα προσομοιωμένα. Στην εργασία, σε ένα δεύτερο βήμα επιχειρείται αξονοδυναμική ανάλυση του πρότυπου κινητήρα μονίμων μαγνητών υψηλής ταχύτητας. Στις ηλεκτρικές μηχανές, η ανάλυση της δυναμικής του άξονα αφορά κυρίως τη μελέτη ταλαντώσεων του δρομέα. Ο δρομέας αποτελεί το σημαντικότερο τμήμα μηχανικής ανάλυσης μιας μηχανής υψηλών ταχυτήτων, επομένως είναι πρωταρχικής σημασίας να λαμβάνονται υπόψη τα αξονοδυναμικά του χαρακτηριστικά, καθώς μπορεί να αποτραπούν καταστροφικές βλάβες λόγω μη αποσβενόμενων ταλαντώσεων. Η προσομοίωση της δυναμικής συμπεριφοράς του δρομέα επιτυγχάνεται με χρήση της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων που παρέχει αξιόπιστα αποτελέσματα και οπτική αναπαράσταση του είδους των ταλαντώσεων του δρομέα. Απώτερος σκοπός της ενότητας αυτής είναι ο υπολογισμός των κρίσιμων ταχυτήτων και ο έλεγχος για ασφάλεια περιστροφής του κινητήρα στις 30.000 ΣΑΛ. Αρχικά διερευνάται η εξάρτηση των φυσικών συχνοτήτων του δρομέα με βάση τη δομική του σύνθεση, τη διάμετρο του άξονα και το μήκος του ενεργού του μέρους. Στη συνέχεια πραγματοποιείται πειραματική επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης για χαμηλές ταχύτητες. Τέλος προσδιορίζονται οι κρίσιμες ταχύτητες και καθορίζεται η μέγιστη επιτρεπτή ταχύτητα περιστροφής του δρομέα ως προς την αξονοδυναμική του συμπεριφορά. Στο τρίτο σκέλος της διπλωματικής εργασίας, πραγματοποιείται η δομική ανάλυση του υπό εξέταση σύγχρονου κινητήρα. Σε μια ηλεκτρική μηχανή υψηλών ταχυτήτων η ανάλυση αυτή είναι ένα πολύ σημαντικό και απαιτητικό τμήμα της σχεδίασης, καθώς σε υψηλές συχνότητες περιστροφής οι φυγόκεντρες δυνάμεις και οι τάσεις που ασκούνται στον δρομέα γίνονται πολύ έντονες. Σκοπός της ενότητας αυτής είναι η εξαγωγή συμπεράσματος σχετικά με την δομική ακεραιότητα του δρομέα για ταχύτητα περιστροφής 30.000 ΣΑΛ, μέσω προσομοίωσης με χρήση της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων. Σε ένα πρώτο βήμα υπολογίζονται οι μέγιστες τάσεις που ασκούνται σε όλα τα μέρη του κινητήρα για την πιο πάνω ταχύτητα περιστροφής και ο αντίστοιχος συντελεστής ασφαλείας. Ακολούθως προσδιορίζεται η μέγιστη επιτρεπτή ταχύτητα περιστροφής του δρομέα και τέλος διερευνάται πως συσχετίζεται η διάμετρος του δρομέα με τη μέγιστη ταχύτητα περιστροφής.