Devridaim sistemleri için küçük güçlü fırçasız doğru akım motoru tasarımı, üretimi ve kontrolü

Son yıllarda gerek Avrupa Birliği'nde, gerekse ülkemizde enerji verimliliği son derece önem kazanmıştır. Enerji verimliliğinin önem kazanmasıyla enerji tüketen tüm ev aletleri veya endüstriyel ürünlerde araştırma, geliştirme ve tasarım çalışmaları artmıştır. Enerji verimli ürünler gerek Avrupa'da, gerekse ülkemizde desteklenmekte ve yasal zorunluluklarla son kullanıcıların bu ürünlere yönlendirilmesi sağlanmaktadır. Bu sayede pazarda belli bir yer edinmek isteyen firmalar ürünlerini geliştirme veya iyileştirme, dolayısıyla teknolojilerini ilerletme fırsatı bulmuşlardır. Devirdaim sistemlerinde ülkemizde ve Avrupa'da kabul edilen enerji verim endeksi hesaplaması detaylı şekilde incelenmiştir. Enerji verim endeksi hesaplamasının yapılabilmesi için dört farklı basma yüksekliği ve debi değerinin belirlenmesi gerektiği ortaya konulmuştur. Bu dört farklı çalışma noktasındaki pompanın referans güç değerinin hesaplanması açıklanmıştır. Aynı zamanda yasal zorunlukların tarihçesi ortaya konulmuş ve gelecekte doğacak olan zorunluluklar açıklanmıştır. Bu çalışma kapsamında enerji verimliliğinin önemi devridaim sistemleri üzerinde incelenmiştir. Devridaim sistemlerinde bulunan pompa sistemi ile ilgili literatür çalışması yapılmış ve pompalar hakkında detaylı bilgiler edinilmiştir. Devridaim sistemleri için basma yüksekliği ve debi gibi terimler açıklanmıştır. Buna ilaveten elektrik motorları genel olarak incelenmiştir. Devridaim sistemlerinde kullanılan elektrik motorlarının daha verimli hale getirmek için fırçasız doğru akım motoru kullanımı incelenmiş ve bu tipte bir motorun tasarlanmasına karar verilmiştir. FDAM motorlarının yapıları detaylı şekilde incelenmiştir. FDAM motorlarının avantajları ve dezavantajları karşılaştırılarak ortaya konulmuştur. Daha önce belirlenen pompa karakteristiğine uygun olacak şekilde motor plaka değerleri belirlenmiş ve buna yönelik olarak FDAM tasarımı yapılmıştır. Sistemin tasarımı için pompa CFD yazılımı ile analiz edilmiş ve pompanın farklı devirlerde pompa verimi, basma yüksekliği, debi vb. parametreleri ortaya konulmuştur. Bu parametrelerden en yüksek basma yüksekliği ve debi değeri ve enerji verim endeksinin hesaplanması için diğer çalışma noktalarının değerleri belirlenmiştir. Dolayısıyla sistemin en verimli çalışma noktaları pompa için ortaya konulmuştur. Mevcut sistem EEI değeri ile tasarlanan sistemin EEI değeri karşılaştırılmış ve sistemin iyileştirilmesi ortaya konulmuştur. FDAM motor tasarımı son derece güvenilir SPEED programı ile yapılmıştır. SPEED Türkiye yetkili firmasından yazılımın bir aylık deneme sürümü temin edilmiştir. Programa girdi oluşturan sac malzeme ve mıknatıs özellikleri programda tanımlanmıştır ve farklı malzemelerle oluşan değişiklikler değerlendirilmiştir. Malzeme seçimlerinde motorun sınır değerlerine ve piyasada ulaşılabirlilik özelliklerine önem gösterilmiştir Tasarım aşamasında, pompadan CFD analizi ile elde edilen ve EEI değerini etkileyen dört farklı çalışma noktası için motorun olması gereken mil gücüne göre, devir sayısı ve moment değeri dikkate alınmış ve FDAM parametreleri ortaya konulmuştur. Tasarım programında daha sonra değişik parametreler ele alınarak ve değişkenlik uygulanarak performans etkileri çok hızlı bir şekilde analiz edilmiştir ve tasarım programının el verdiği şekilde sonlu elemanlar analizi de gerçekleştirilerek akı yoğunlukları, vuruntu momenti gibi özellikle mıknatıslı motorlarda çok önemli olan özellikler önceden tahmin edilmiş olup iyileştirme çalışmaları yapılmıştır. Farklı oluk ve kutup sayılarında üç farklı tasarım yapılmıştır. Bu tasarımlar karşılaştırma yapılarak en uygun tasarım üretilmek üzere seçilmiştir. FDAM tasarımında üç farklı kutup-oluk sayılarına göre tasarımlar gerçekleştirilmiş ve detaylı kıyaslama yapılarak 4 kutuplu 12 oluklu motorun üretiminin yapılmasına karar verilmiştir. Vuruntu momentinin diğer tasarımlara göre daha az olması ve veriminin de bir miktar fazla olması nedenleriyle 4 kutuplu 12 oluklu tasarım seçilmiştir. Üretici firma araştırılmış ve belirlenen üreticiye tasarım bilgileri iletilmiştir. Motor üreticisi firma, gövde maliyetinin daha uygun olması açısından motor dış çapı ile ilgili bir geri dönüş yapıp tasarımda değişiklik yapılmasını talep etmiştir. Bu talep sonucunda tasarlanmış olan FDAM tasarımının stator dış çapı değiştirilmiş ve motor tekrar pompaya uygun hale getirilmiştir. Bu geri dönüş ile stator çapı düşürülmüş, paket boyu arttırılmış ve tasarım iyileştirilmesi yapılarak vuruntu momenti düşürülmüştür. Tasarlanan FDAM, modern üretim teknikleri kullanılarak üretimi sağlanmıştır. Manyetik geçirgenliği yüksek olan çelik malzeme yüksek hızda, özellikle motor prototip üretimi yapan firmalarda bulunan lazer kesim makinasıyla kesilmiş, bu sayede malzemeye ısıl işlemden dolayı zarar gelmesi engellenmiştir. Bunun yanında nadir toprak elementi olan mıknatıs malzemesi istediğimiz ebatlarda ve kalitede yurt dışında mıknatıslandırıldıktan sonra motor üretimini gerçekleştiren firmaya gönderilmiştir. Mıknatıslar özel bir yapıştırıcı malzeme ile rotor yüzeyine yapıştırılmıştır. Stator ve rotor paketi de lazer kaynak yöntemiyle bir araya getirilmiştir. Bu çalışmada aynı zamanda tasarımcıların üretimcilerle birlikte çalışıp sınır değerleri belirlemesi gerektiği ortaya konulmuştur. Tasarlanan motoru kontrol edebilmek amacı ile sürücü tipleri araştırılmıştır. Genel olarak kullanılan asnekron motorların aksine, fırçasız doğru akım motorlarının su içinde çalıştırılması Hall etkisi algılayıcısının yerleşiminin zorluğu, motoru ıslak ortamdan yalıtmanın asenkron motorlara nazaran çok daha zor olması, buna yönelik uygulanabilecek çözümlerin maliyetlerinin çok yüksek olması sebeplerinden dolayı algılayıcısız kontrol yöntemi tercih edilmiş ve buna yönelik olarak bir sürücü temin edilmiştir. Belirlenen sürücü tipinin çıkış değerlerine ve benzetim ortamında elde edilen pompanın hız ve moment değerlerine göre bilgisayar ortamında SPEED yazılımı kullanılarak fırçasız doğru akım motoru tasarımı gerçekleştirilmiştir. Başlangıç kısmında belirtilen verim endeksi standart değerlere sahip bir asenkron motor ve tasarlanan sistem için ayrı ayrı hesaplanmış ve tasarlanan yeni sistemin verim indeksinin iyileştirildiği ortaya konulmuştur. Üretilen motorun üretiminden sonra performansını değerlendirmek için deneysel çalışma gerçekleştirilmiş ve gerçek performans ile tasarım çıktıları arasındaki farklar ölçülmüştür. Uygulamalı çalışmalar motor üreticisinin tesislerinde ve İTÜ Elektrik Makinaları Laboratuarı'nda gerçekleştirilmiştir. Üretici firma laboratuarında vuruntu momenti, zıt emk büyüklükleri ölçülmüştür. Tasarım programında sonlu elemanlar analizi yapılan vuruntu momenti ile ölçülen arasında fark olduğu görülmüştür. Ancak Zıt-EMK büyüklükleri tasarım programında benzer olduğu tespit edilmiştir. İTÜ Elektrik Makinaları Laboratuarı'nda deney düzeneği oluşturulmuştur. Bunun için üretilen motor, yükleme yapılabilmesi için laboratuarda bulunan bir motora akuple edilmiş ve tedarik edilen sürücü ile bağlantısı yapılmıştır. Motor sürücüsünün besleme gerilimi için DA kaynağı ototrafo üzerinden bir doğrultucu devre tarafından sağlanmıştır. Sistemin fonksiyonel çalışmaları adım adım kontrol edilmiştir. İlk önce DA kaynağından gerekli gerilim ölçülmüş ve ayarlanmış. Motor sürücü parametreleri, sürücü ile yazılımı arasındaki iletişim sağlanıp kaydedilmiş ve son olarak sisteme enerji boşta çalışmak üzere verilmiştir. Sistemin boşta çalıştığı gözlemlenmiştir. Çalışmalar için İTÜ Bilimsel Araştırma Projeler Biriminden proje desteği kullanılmıştır. Bu destek ile motor üretimi gerçekleştirilmiş ve sürücü tedarik edilmiştir. Bu çalışma ile Avrupa Birliğinin ve Türkiye'nin yasal zorunluluklarla belirlediği enerji verim endeksine uygun, yüksek verimli devridaim sistemi, mıknatıslı motor kullanılarak yeniden tasarlanmıştır. Karakteristiği bilgisayar ortamında elde edilen pompaya uygun bir fırçasız doğru akım motoru kullanılarak sistem tasarlanmıştır. Böylelikle enerji verimliliği açısından ülke ekonomisine ve enerji kaynaklarının verimli kullanılmasına katkıda bulunabilecek bir sistem gerçeklenmiştir.