Θερμική Ανάλυση Σύγχρονου Κινητήρα Μονίμων Μαγνητών

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με τη θερμική ανάλυση και τα φαινόμενα μεταφοράς θερμότητας στο εσωτερικό των ηλεκτρικών μηχανών. Η μελέτη της θερμικής συμπεριφοράς είναι μια πολύ κρίσιμη παράμετρος στην κατασκευή τους, καθώς οι θερμοκρασίες που αναπτύσσονται επηρεάζουν άμεσα την απόδοση και την αντοχή των υλικών μόνωσης. Πιο συγκεκριμένα, στην εργασία αυτή θα εξετάσουμε τη θερμική απόκριση ενός εξαπολικού σύγχρονου κινητήρα επιφανειακών μόνιμων μαγνητών, χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικές προσεγγίσεις: ένα ισοδύναμο θερμικό κύκλωμα και τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων.

Αρχικά, παρουσιάζεται επισκόπηση της βιβλιογραφίας για τη θερμική ανάλυση ηλεκτρικών μηχανών και αναλύονται τα θερμικά φαινόμενα και οι πηγές απωλειών του κινητήρα. Στη συνέχεια αναπτύσσεται από την αρχή σε MATLAB/Simulink ένα λεπτομερές ισοδύναμο θερμικό κύκλωμα συγκεντρωμένων παραμέτρων (LPTN). Η μηχανή χωρίζεται αξονικά σε φέτες, ώστε να αναπαρίσταται η μεταβολή της θερμοκρασίας κατά μήκος της και η επίδραση ανεμιστήρα, ενώ η μόνωση της αύλακας και το διάκενο αναπαρίστανται με φυσικά τεκμηριωμένες θερμικές αντιστάσεις. Το μοντέλο δίνει τη μεταβατική και τη μόνιμη κατάσταση κάθε εξαρτήματος. Έπειτα, ο ίδιος κινητήρας αναλύεται με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (FEMM) σε πολλαπλές κάθετες και παράλληλες δισδιάστατες τομές, σε καρτεσιανή και κυλινδρική αναπαράσταση, με παραμετρική μεταβολή του συντελεστή συναγωγής του στάτη από 20 έως 100 W/(m2K) και χωρίς ανταλλαγή θερμότητας στον άξονα.

Τέλος, τα αποτελέσματα των δύο μεθόδων συγκρίνονται. Υπό κοινές παραδοχές οι δύο μέθοδοι συμφωνούν με απόκλιση μικρότερη από 1.7% στην υπερύψωση της θερμοκρασίας. Ο ανεμιστήρας προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας κατά μήκος της μηχανής προς την πλευρά που απέχει από αυτόν. Η μεταβολή αυτή υπερεκτιμάται από τις μεμονωμένες κάθετες τομές, ενώ η καρτεσιανή αναπαράσταση της παράλληλης τομής υπερεκτιμά την υπερύψωση της θερμοκρασίας. Διαπιστώνεται ότι ο κινητήρας λειτουργεί με μεγάλο περιθώριο θερμικής ασφάλειας για τα τυλίγματα.