Σχεδίαση και κατασκευή κινητήρα ηλεκτρικού οχήματος «Πυρφόρος» Μίνως Μπενιακάρ (Υποψήφιος Διδάκτωρ Σχολής ΗΜ&ΜΥ, ΕΜΠ)

Transcript

1 Σχεδίαση και κατασκευή κινητήρα ηλεκτρικού οχήματος «Πυρφόρος» Μίνως Μπενιακάρ (Υποψήφιος Διδάκτωρ Σχολής ΗΜ&ΜΥ, ΕΜΠ)

2 Περιεχόμενα Παρουσίασης Η ομάδα κινητήρα 2013 Σχεδίαση του κινητήρα του «Πυρφόρου» Κατασκευή του κινητήρα Δράσεις Έργο της ομάδας Απολογισμός 2

3 Μέλη της ομάδας 2013 Μίνως Μπενιακάρ Αναστασία Σκολαρίκη Χρήστος Κρασόπουλος Μαριλένα Καράλη Κωνσταντίνα Νικολάου 3

4 Σχεδίαση κινητήρα Στόχοι Υψηλός βαθμός απόδοσης Χαμηλές απώλειες χαλκού και σιδήρου Μεγιστοποίηση συντελεστή πληρότητας (ff) Ελάχιστες απαιτήσεις επίδοσης (ροπής) Ροπή εκκίνησης Ροπή μόνιμης κατάστασης Clean interface (παρασιτικά φαινόμενα) Χαμηλό THD της αντι-ηεδ (καλύτερη οδήγηση) Ελαχιστοποίηση torque ripple μηχανικές καταπονήσεις Ελαχιστοποίηση βάρους - όγκου 4

5 Κατασκευαστικές προκλήσεις Μηχανή εξωτερικού δρομέα (in-wheel motor) Κωνικές αύλακες δυσκολία στο τύλιγμα Απαίτηση για μεγάλο συντελεστή πληρότητας αύξηση διατομής αγωγών τυλίγματος Ευθυγράμμιση λαμαρινών - Συμπίεση μαγνητικού κυκλώματος (πυρήνας στάτη) Ευθυγράμμιση - Κόλληση μόνιμων μαγνητών Μηχανικές αντοχές με παράλληλη μείωση βάρους και όγκου Στήριξη πηνίων 5

6 Σχεδίαση κινητήρα Βήματα Προκαταρκτική σχεδίαση - Βασική διαστασιολόγηση Σχεδίαση στην ονομαστική λειτουργία Εκτίμηση ροπής εκκίνησης 1 Επιλογή συνδυασμού πόλων/ αυλάκων Επιλογή είδους τυλίγματος Επιλογή μορφολογίας δοντιών 2 Ανάλυση ευαισθησίας Προτεραιότητα κριτηρίων Βελτιστοποίηση γεωμετρίας 3 6

7 Σχεδίαση Υπολογιστικά εργαλεία Παραμετροποιημένη σχεδίαση Χρήση Matlab femm Αυτοματοποιημένες ρουτίνες ανάλυσης 7

8 Θεωρήσεις Επιλογές σχεδίασης 1. Σχέση ενεργού μήκους L διαμέτρου διακένου D I. Χωρικοί περιορισμοί II. Ροπή αδράνειας III. Άκρα τυλίγματος 2. Βέλτιστος συνδυασμός αριθμού πόλων αυλάκων για μη επικαλυπτόμενο κλασματικό τύλιγμα I. Συντελεστής τυλίγματος II. Παρασιτικό περιεχόμενο ροπής και αντι-ηεδ 3. Επιλογή γεωμετρίας μαγνήτη Επιφανειακοί Μ.Μ. I. Μηχανή ροπής II. Σταθερή ταχύτητα λειτουργίας III. Χωρικοί περιορισμοί 8

9 Εναλλακτικές σχεδιάσεις Διερευνήθηκαν 3 εναλλακτικές σχεδιάσεις FSCW στάτη: 1. Τύλιγμα διπλής στρώσης (All teeth wound) 2. Τύλιγμα απλής στρώσης (Alternate teeth wound) 3. Τύλιγμα απλής στρώσης με άνισα δόντια (Unequal teeth distribution Alternate teeth wound) 9

10 Σχεδίαση Ανάλυση ευαισθησίας Emf (V) Magnet Angle (% of Pole) 79 Magnet Percentage (%) Thd (%) Magnet Thickness (mm) Magnet Thickness (mm) Μεταβολή κρίσιμων παραμέτρων σχεδίασης Υπολογισμός της μεταβολής των δεικτών απόδοσης και επίδοσης Οπτικοποίηση αποτελεσμάτων με 3D διαγράμματα Ποσοτικοποίηση της επίδρασης παραμέτρων στη σχεδίαση Fine-tuning γεωμετρίας Βελτιστοποίηση 10

11 Σχεδίαση Τελική γεωμετρία Συνδυασμός πόλων αυλάκων 16/18, λόγος δοντιών 60/40 «Καθαρή» ηλεκτρομαγνητική ροπή και αντι-ηεδ κινητήρα Εκτιμούμενη απόδοση >90%, ονομαστική ισχύς < 300W και αυξημένη ικανότητα ροπής εκκίνησης (boost torque >7 Νm) 8 Instantaneous torque (Nm) 20 Phase A EMF waveform Torque (Nm) Overload Nominal load Phase A EMF (V) Nominal load Overload Angular displacement (degrees) Angular displacement (degrees) 11

12 Σχεδίαση CAD Σχεδίαση με CAD Λεπτομερής αναπαράσταση γεωμετρίας κινητήρα Συνεργασία με εξωτερικούς φορείς - μηχανουργεία Εκτίμηση βάρους - όγκου 12

13 Κατασκευή Τύλιγμα κινητήρα Μη επικαλυπτόμενο συγκεντρωμένο τύλιγμα Πηνία 64 σπειρών Τύλιγμα σειράς, απλής στρώσης Διατομή αγωγών 1.4 καρέ 13

14 Κατασκευή Μαγνητικό κύκλωμα Μαγνητικές λαμαρίνες στάτη δρομέα κομμένες με Laser ακριβείας σε μηχανουργείο Άξονας από επεξεργασμένο κύλινδρο αλουμινίου - διάτρηση Στήριξη και σφίξιμο λαμαρινών με ειδικούς σφικτήρες Κέλυφος αλουμινίου 14

15 Κατασκευή Στάτης κινητήρα Εφαρμογή πηνίων τυλίγματος στα δόντια του πυρήνα (9 πηνία με ενδιάμεσο κενό δόντι) Στήριξη πηνίων με κατάλληλο κηρόσπαγκο Δημιουργία συνδεσμολογίας αστέρα Εμπότιση σε ειδικό μονωτικό βερνίκι Τρύπημα άξονα για να περάσουν τα καλώδια τροφοδοσίας 15

16 Κατασκευή - Ολοκλήρωση Προσθήκη κελύφους Ντίζες στήριξης Κόλληση μαγνητών - Προσάρτηση μαγνητικού κυκλώματος δρομέα Προσθήκη ρουλεμάν Εισαγωγή στάτη Compact motor structure Εισαγωγή στον κινητήριο τροχό του οχήματος 16

17 Δράσεις της ομάδας Ανάπτυξη λογισμικού σχεδίασης Βελτιστοποίηση γεωμετρίας Σχεδίαση με CAD Κατασκευή τυλίγματος - μόνωση Assembly κινητήρα 17

18 Απολογισμός Ανάδειξη της σημασίας της συνεργασίας των μελών της ομάδας ( βραβείο best team spirit) Ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων σχεδίασης Ολοκληρωμένη κατασκευή ηλεκτρικού κινητήρα στο εργαστήριο - πέρασμα από τη θεωρία στην πράξη Εμπειρία συμμετοχής στο διαγωνισμό SEM 18

19 Ευχαριστώ πολύ Ερωτήσεις? 19