Συμβολή στη θεώρηση των απωλειών στις ηλεκτρικές μηχανές μονίμων μαγνητών για εφαρμογές ηλεκτροκίνησης

Abstract

The present doctoral dissertation undertakes a detailed analysis of the electromagnetic phenomena governing the behavior of permanent magnets and their interaction with ferromagnetic materials composing the rotor magnetic circuits within the scope of developing design optimization tools for electric motors implemented in Hybrid/Electric Vehicles. The field of application of the studied permanent magnet materials and the corresponding motors concerns electric propulsion systems involving non-sinusoidal waveform supplies provided by power electronic devices. A correct analysis of these phenomena necessitates appropriate design choices for the representation of the type of materials, their final geometry configuration, and their characteristics in the operation of the respective electric machines. Initially, a brief overview of the technology and properties of hard magnetic materials constituting permanent magnets of different types is presented. Their macroscopic characteristics, the effects of demagnetization, and the modeling procedures often followed in the design of robust electric motors reported in the literature are analyzed. The implementation of appropriate characteristic curves and the extensions of existing modeling technikques have been performed in conjunction with optimization procedures leading to appropriate topologies of the magnetic circuits of electric machines, designed to exhibit fault tolerance and reduced demagnetization risks. Subsequently, an important effort is devoted to model the losses in permanent magnets originated by eddy currents generated by higher frequency harmonics due to stator slotting and to non-sinusoidal waveforms supplied by inverters. The three-dimensional nature of these phenomena and the complexity of the reaction field representation in the overall modeling of electric motors are the main targets of this analysis. Following a literature survey in this field, a modeling methodology has been developed, aiming to reduce the required computational means by creating equivalent mechanisms enabling accurate representation of the involved phenomena. In an initial modeling stage, adequate characteristic curves describing the properties of both hard and soft magnetic materials have been recorded experimentally. The description and configuration of appropriate C-Core magnetic circuits constitute a key contribution in the experimental investigation of permanent magnet losses caused by higher harmonic components of the magnetic field in electrical machines. Additionally, the effects on losses by suitable microlayer shields placed on magnets’ surface, containing iron-magnetic, conductive, and/or high-permeable materials have been investigated. Detailed experimental results enabled further precision improvements and restructuring of the aforementioned modeling procedures in order to accurately represent the physical mechanisms governing the phenomena under study. Experimental validation of the developed numerical and analytical methodologies accuracy is performed through appropriate laboratory measurements on small scale magnetic circuits with configurations similar to respective high power electric machines, such as in a prototype linear motor case. In a next step, appropriate coupling between different multiphysics phenomena (electromagnetic, thermal, mechanical) has been considered by using adequate techniques based on finite element method while the importance of their interdependence in electric machines involving permanent magnets is analyzed in detail, in particular examining their behavior under high-speed operating conditions. The variations and modeling of the behavior of magnetic materials when subjected to mechanical and thermal stresses constitute an important target of this analysis. The methodologies proposed offer sufficient accuracy, while they necessitate reduced additional computational requirements. In conclusion, this doctoral dissertation focuses on the investigation of the properties and characteristics of permanent magnets, including the impact of temperature variations and mechanical stresses, as well as on the development of algorithms for their analysis and modeling in the frame of optimizing the geometry of the corresponding electric machines. The proposed methodologies are validated experimentaly on prototype magnetic circuits by using appropriate measurement arrangements. Finally, the overall impact assessment of the involved phenomena and the developed advanced methodologies enabling detailed analysis are presented, along with the possibilities of their utilization in high efficiency electric machines design, within the framework of transportation electrification initiative.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά σε βάθος τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα τα οποία διέπουν τη συμπεριφορά των μονίμων μαγνητών στα πλαίσια ανάπτυξης αντίστοιχων ηλεκτρικών κινητήρων για Υβριδικά/Ηλεκτρικά οχήματα. Το πεδίο εφαρμογής των υπό μελέτη υλικών μονίμων μαγνητών και των αντίστοιχων κινητήρων είναι τα συστήματα ηλεκτροκίνησης, τα οποία περιλαμβάνουν τροφοδοσίες από μη ημιτονοειδείς πηγές προερχόμενες από μετατροπείς ηλεκτρονικών ισχύος. Η ορθή αναπαράσταση αυτών των φαινομένων αναδεικνύει τις κατάλληλες σχεδιαστικές επιλογές, όσον αφορά το είδος των υλικών, την τελική σχεδίαση της γεωμετρίας τους, και τα χαρακτηριστικά τους στη λειτουργία των ηλεκτρικών μηχανών που χρησιμοποιούνται. Αρχικά, παρουσιάζεται μια σύντομη επισκόπηση της τεχνολογίας και των ιδιοτήτων των σκληρών μαγνητικών υλικών που χρησιμοποιούνται στους μόνιμους μαγνήτες. Αναλύονται βιβλιογραφικά τα χαρακτηριστικά τους, οι επιπτώσεις της απομαγνήτισης και η μοντελοποίηση που συχνά υιοθετείται στη σχεδίαση εύρωστων ηλεκτρικών κινητήρων. Η εφαρμογή των χαρακτηριστικών καμπυλών και η επέκταση των υφιστάμενων μεθόδων μοντελοποίησης έχει πραγματοποιηθεί και παρουσιάζεται σε συνδυασμό με τη βελτιστοποίηση κατάλληλης τοπολογίας μαγνητικού κυκλώματος ηλεκτρικής μηχανής, η οποία σχεδιάζεται έτσι ώστε να εμφανίζει ανοχή σε σφάλματα απομαγνήτισης. Στη συνέχεια, εξετάζεται η μοντελοποίηση των απωλειών εξ αιτίας του φαινομένου των δινορευμάτων. Η τρισδιάστατη φύση αυτών των φαινομένων και η θεώρηση του μαγνητικού πεδίου αντίδρασης των δινορευμάτων στη συνολική μοντελοποίηση των ηλεκτρικών κινητήρων αποτελούν τον κύριο στόχο της ανάλυσης. Η βιβλιογραφική διερεύνηση του σχετικού επιστημονικού πεδίου, καθώς επίσης και η επιλογή κατάλληλης μεθοδολογίας μοντελοποίησης, αποσκοπούν στη μείωση της απαιτούμενης υπολογιστικής ισχύος δημιουργώντας ισοδύναμους μηχανισμούς περιγραφής των φαινομένων. Αρχικό στάδιο της μοντελοποίησης, αποτελεί η διαδικασία εξαγωγής χαρακτηριστικών καμπυλών, που έχουν ως στόχο την μακροσκοπική περιγραφή των ιδιοτήτων των υλικών τόσο στα σκληρά μαγνητικά υλικά, όσο και στα μαλακά μαγνητικά υλικά, και διεξάγεται πειραματικά. Η περιγραφή και η διαμόρφωση χαρακτηριστικών μαγνητικών κυκλωμάτων τύπου C-Core αποτελεί σημαντική συμβολή στον πειραματικό υπολογισμό των απωλειών των μονίμων μαγνητών. Επίσης διερευνώνται οι επιπτώσεις στις απώλειες από επιταξειακή τοποθέτηση στην επιφάνεια των μαγνητών κατάλληλων μικροστρωμάτων με κόκκους σιδηρομαγνητικών, αγώγιμων και υψηλής διαπερατότητας υλικών. Τα πειραματικά αποτελέσματα που ελήφθησαν επέτρεψαν την περαιτέρω βελτίωση και λεπτομερέστερη αναπαράσταση των φυσικών μηχανισμών που διέπουν τα υπό μελέτη φαινόμενα. Η πειραματική επιβεβαίωση των αριθμητικών και αναλυτικών μεθόδων που αναπτύχθηκαν πραγματοποιείται μέσω κατάλληλων εργαστηριακών μετρήσεων σε μαγνητικά κυκλώματα με συναφή με την τελική ηλεκτρική μηχανή διαμόρφωση, όπως στην περίπτωση μίας πρότυπης γραμμικής ηλεκτρικής μηχανής. Στη συνέχεια, μελετάται η συζευγμένη ανάλυση διαφορετικών φυσικών φαινομένων (ηλεκτρομαγνητικών, θερμικών, μηχανικών) με κατάλληλες τεχνικές χρησιμοποιώντας τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων καθώς και η σημασία θεώρησης των αλληλεπιδράσεων σε μηχανές που περιλαμβάνουν μόνιμους μαγνήτες, αναπαριστώντας λεπτομερώς την συμπεριφορά τους σε λειτουργικές συνθήκες υψηλών ταχυτήτων. Η διαφοροποίηση και η λεπτομερής μοντελοποίηση της συμπεριφοράς των μαγνητικών υλικών όταν σε αυτά επιδρούν μηχανικές και θερμικές καταπονήσεις, συνιστούν επίσης σημαντικό ενδιαφέρον διερεύνησης. Παρουσιάζεται, μία μέθοδος ανάλυσης που αναπτύχθηκε, ενώ παράλληλα αναδεικνύεται η αποτελεσματικότητα και η περιορισμένη αύξηση των υπολογιστικών απαιτήσεων. Συμπερασματικά η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στη διερεύνηση των ιδιοτήτων και των χαρακτηριστικών των μονίμων μαγνητών καθώς και στην ανάπτυξη αλγορίθμων ανάλυσης και μοντελοποίησής τους, στα πλαίσια διαμόρφωσης αντίστοιχων μεθοδολογιών σχεδιασμού ηλεκτρικών μηχανών. Η πειραματική επιβεβαίωση των μεθόδων που αναπτύχθηκαν, πραγματοποιείται σε μαγνητικά κυκλώματα με κατάλληλες διατάξεις μέτρησης. Τέλος, παρουσιάζεται η συνολική εκτίμηση της συμβολής των εμπλεκομένων φαινομένων και της μεθοδολογίας ανάλυσής τους που προτάθηκε στο γενικότερο πεδίο εφαρμογών της ηλεκτροκίνησης καθώς και οι δυνατότητες αξιοποίησής τους στο σχεδιασμό ηλεκτρικών μηχανών