Μαγνητική θωράκιση ηλεκτρικών οχημάτων

Abstract

This PhD Thesis aims at contributing towards the technology of human protection against magnetic field in electric vehicles, during battery charging and electric motor supply. The main contribution is related to the magnetic field shielding due to the supplying currents (mainly switching currents) at frequencies in the order of kHz.The Thesis aims at the contribution of three main issues, that can be technologically used by the manufacturers and facilitators of electric vehicles for the protection of the travelling human bodies, according to the existing standards:1. Soft magnetic materials, able to trap magnetic field due to their high magnetic permeability2. Shielding arrangement simulation using finite element analysis, that can reduce the time and cost of the magnetic shielding studies3. Examples using magnetic materials and simulation techniques for the magnetic (and electric) field shieldingAt first, the detailed study of the international literature will be depicted, based on papers of well-respected journals, related to the protection of the human body against magnetic (and electric) fields. Emphasis will be given to the conditions of electric vehicles and especially to their wireless charging. This literature survey is depicted at the Chapter 1 of the Thesis.The investigation of high magnetic permeability materials will be given next. These soft magnetic materials are single-phase and electric steels of ferritic structure, soft magnetic coatings like permalloys, as well as the more modern amorphous and noncrystalline materials. The investigation is related to the technology of monitoring their magnetic properties (permeability), as well as to their structural and microstructural characterization, being indicative of the proposed shielding materials and testing methods. This investigation is presented in Chapter 2.Using these magnetic materials, the contribution of the shielding based on soft magnetic (but also in non-magnetic conductive) materials in electric energy transmission cabling, simulating the conditions of wired and wireless charging, as well as the operation (movement) of the electric vehicle. The magnetic field distribution in electric vehicles will also be investigated with a corresponding shielding proposal, which does not permit the overpassing of the magnetic field limits in the passenger cabin. This study will be analyzed in Chapter 3.Finally, the conclusions of the Thesis and the proposals for future research will be given in Chapter 4.The simulating means for the study of magnetic and electric field will be based on finite element analysis, using the ANSYS Maxwell 2D and 3D, Release 17.1 Academic package. The experimental comparison of the simulation will be based on reference current sources and use of calibrated magnetometers and current meters, as well as in field measurements.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή, φιλοδοξεί να συνεισφέρει στην τεχνολογία της θωράκισης τόσο του ανθρώπινου οργανισμού όσο και του ηλεκτρικού εξοπλισμού από το μαγνητικό πεδίο, που δημιουργείται σε ηλεκτρικά οχήματα, αφενός από τη φόρτιση των συσσωρευτών τους και αφετέρου από την τροφοδοσία του ηλεκτρικού κινητήρα. Η συνεισφορά αυτή έγκειται κατά κύριο λόγο στη βελτίωση της θωράκισης έναντι του μαγνητικού πεδίου που προκαλείται από ρεύματα τροφοδοσίας (κατά κύριο λόγο διακοπτικά ρεύματα) που μπορεί να φτάσουν σε συχνότητες της τάξης των kHz.Η διατριβή πραγματεύεται τρεις θεματικές ενότητες:• μελέτη της συμπεριφοράς των μαλακών μαγνητικών υλικών, τα οποία είναι σε θέση να εγκλωβίζουν μαγνητικό πεδίο λόγω της μεγάλης μαγνητικής διαπερατότητας που εμφανίζουν• προσομοιώσεις διατάξεων θωράκισης με την μέθοδο της ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων, που μπορούν να μειώσουν τον χρόνο και το κόστος της εν λόγω μελέτης• μελέτες περίπτωσης, όπου εξετάζονται διαφορετικά μαγνητικά υλικά και τεχνικές προσομοίωσης για την θωράκιση έναντι μαγνητικού (και ηλεκτρικού) πεδίουΗ διατριβή διαρθρώνεται στα εξής κεφάλαια:• Κεφάλαιο 1: Βιβλιογραφική ανασκόπηση. Παρουσιάζεται λεπτομερής αποτύπωση της διεθνούς βιβλιογραφίας, μελετώντας άρθρα έγκριτων διεθνών περιοδικών, που αφορούν στη θωράκιση έναντι του μαγνητικού πεδίου. Έμφαση δίνεται στις συνθήκες φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων και μάλιστα στην ασύρματη φόρτισή τους.• Κεφάλαιο 2: Υλικά Μαγνητικής Θωράκισης. Μελετώνται μαγνητικά υλικά μεγάλης μαγνητικής διαπερατότητας, όπως μονοφασικοί και ηλεκτρικοί χάλυβες φερριτικής δομής, επιστρώσεις μαλακών μαγνητικών υλικών, όπως permalloy, καθώς επίσης και τα πιο σύγχρονα άμορφα και νανοκρυσταλλικά υλικά. Τα υλικά αυτά κατασκευάζονται στο εργαστήριο και στη συνέχεια παρουσιάζονται οι διαθέσιμες διατάξεις μέτρησης, μία από τις οποίες συνιστά καινοτομία στο πεδίο των μαγνητικών μετρήσεων. Ως τελικό αποτέλεσμα η μελέτη περιλαμβάνει τη μέτρηση των μαγνητικών ιδιοτήτων (μαγνητική διαπερατότητα), καθώς και στον δομικό και μικροδομικό χαρακτηρισμό τους, τα οποία στη συνέχεια θα χρησιμοποιηθούν στη θωράκιση ηλεκτρικών οχημάτων.• Κεφάλαιο 3: Θωράκιση Ηλεκτρικών οχημάτων. Με βάση τα χρησιμοποιούμενα μαγνητικά υλικά εξετάζεται η συνεισφορά της θωράκισης με μαλακά μαγνητικά (αλλά και μη μαγνητικά αγώγιμα) υλικά σε καλωδιώσεις μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας, προσομοιώνοντας έτσι τις συνθήκες ενσύρματης ή ασύρματης φόρτισης και κίνησης του ηλεκτρικού οχήματος. Επίσης, μελετάται η κατανομή του μαγνητικού πεδίου στα ηλεκτρικά οχήματα και προτείνεται θωράκιση, η οποία δεν επιτρέπει την υπέρβαση του μαγνητικού πεδίου πάνω από τα επιτρεπόμενα όρια, σε συγκεκριμένα χωρικά όρια στην καμπίνα των επιβατών.• Κεφάλαιο 4: Συμπεράσματα και Μελλοντική Εργασία. Παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της διατριβής και οι προτάσεις για την μελλοντική έρευνα.Οι υπολογισμοί του μαγνητικού και του ηλεκτρικού πεδίου, καθώς και η διαστασιολόγηση των αντίστοιχων διατάξεων θωράκισης πραγματοποιήθηκαν με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων και συγκεκριμένα στο πρόγραμμα ANSYS Maxwell 2D and 3D, Release 17.1 Academic. Οι πειραματικές μετρήσεις, με σκοπό την επαλήθευση των εν λόγω υπολογισμών, πραγματοποιήθηκαν με χρήση πρότυπων πηγών ρεύματος και κατάλληλων διακριβωμένων μετρητικών οργάνων (πεδιόμετρα, αμπερόμετρα) στο εργαστήριο, καθώς επίσης και με μετρήσεις πεδίου.