Eksenel akılı fırçasız doğru akım motoru tasarımı ve radyal akılı fırçasız doğru akım motoruyla karşılaştırılması

Elektrik enerjisine ve elektrikli ekipmanların temellerinden birini oluşturan elektrik motorlarına olan bağlılık ve ihtiyaç gün geçtikçe artan dünya nüfusu ile birlikte artmaktadır. Gelişen teknoloji ve değişen ihtiyaçlar ile birlikte daha küçük hacimli ve çoklu işlem yapma özelliği olan sistemlerin kullanımı ve tasarımları artmaktadır. Bu durum ise, kısıtlı bir alanda birçok elektronik bileşenin ve elektrik motorunun bir arada bulunmasını ve çalışmasını gerektirmektedir. Kullanılan elektrik motorlarının sayısının artması, artan enerji ihtiyacı ve daha küçük hacimli sistemlere karşı olan tutum, elektrik motorlarında yüksek verim ile hacim ve ağırlık kısıtlarını karşımıza çıkarmaktadır. Verim, hacim ve ağırlık isterlerini karşılayabilen makineler olarak ön plana sürekli mıknatıslarla uyartılmış makineler çıkmaktadır. Bu makineler; en basit şekilde, kullanılması gereken elektromıknatıslar yerine kullanılan sürekli mıknatısların getirdiği, kayıpların ve ağırlığın azalması, güç yoğunluğunun (W/m3) artması gibi avantajlarla isterleri sağlayabilmektedirler. Sürekli mıknatıslı motorlardan olan ve üstün bazı avantajlarından dolayı günümüzde ön plana çıkan elektrik motorlarından birisi de sürekli mıknatıslı fırçasız doğru akım motorudur (FDAM – BLDC). Fırçasız doğru akım motorları, motor içerisindeki akının izlediği yola bağlı olarak radyal akılı ve eksenel akılı olarak ikiye ayrılmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında çamaşır makinesi uygulamasında kullanılan radyal akılı fırçasız doğru akım motoru yerine daha düşük hacim, ağırlık ve maliyette, yüksek güç yoğunluğuna sahip bir eksenel akılı fırçasız doğru akım motoru tasarlanmış ve bu iki motorun karşılaştırmaları yapılıp birbirlerine göre üstünlükleri ortaya konulmuştur. Eksenel akılı motorun tasarımına başlanmadan önce, üretimde olan radyal akılı motor analizleri yapılmıştır. Üretimde olan ve incelenen motor; 24 oluklu, 4 kutuplu, rotorunda ferrit sürekli mıknatısları olan, nominal çalışmasında 530 min-1 hızında 1,2 Nm'lik çıkış momenti verebilen bir radyal akılı FDAM'dur. Eksenel akılı motor tasarımına başlanmadan önce üretimde olan radyal akılı motorun alınan plaka değerleriyle ve mekanik boyutlarıyla birlikte, sonlu elemanlar yöntemine (SEY) göre çalışan bir paket programda iki boyutlu modeli kurulmuş ve analizleri yapılmıştır. Yapılan analizler, motorun deney sonuçları ve plaka değeriyle karşılaştırılarak kurulan SEY modelinin tutarlılığı ortaya konulmuştur. Eksenel akılı motorlar, motor topolojisinde kullanılan stator ve rotor sayılarına göre sınıflandırılabilmektedir. Tasarlanan eksenel akılı motor çamaşır makinesi uygulamasında kullanılan radyal akılı motor yerine tasarlanmıştır ve çamaşır makinesi uygulaması düşük güçlü uygulamalar sınıfında yer almaktadır. Düşük güçlü uygulamalarda hacim, ağırlık ve maliyet kısıtları altında seçilen eksenel akılı FDAM tipi tek tabakalı bir rotor ve bir stator içeren motor modelidir. Eksenel akılı motor topolojisine karar verildikten sonra çıkartılan temel boyutlandırma denklemleri kullanılarak MATLAB® programı üzerinde, farklı kutup sayılarına göre, güç yoğunluğunu maksimum yapan bir algoritma geliştirilmiştir. Geliştirilen algoritma ile radyal akılı motorun çamaşır makinesi uygulaması için yerine getirmesi gereken 530 min-1 hızında, 1,2 Nm'lik çıkış momenti özelliklerini sağlanacak şekilde, farklı kutup sayıları için eksenel akılı motorlar tasarlanmıştır. Eksenel akılı motor tasarımlarında, radyal akılı motor ile karşılaştırma yapılabilmesi adına, radyal akılı motorda kullanılan malzemeler kullanılmıştır. Farklı kutup sayılarına göre yapılan tasarımlar arasından, maliyet, motorun üretilebilirliği ve güç yoğunluğu kısıtları gözetilerek uygun bir kutup sayısı seçilmiş ve eksenel akılı motorun temel boyutlandırması yapılmıştır. Temel boyutlandırma adımından sonra elektriksel tasarımı da yapılan eksenel akılı motorun analitik tasarımı tamamlanmıştır. Analitik tasarımı tamamlanan eksenel akılı FDAM 12 oluklu, 8 kutuplu, üç fazlı stator sargısı olan ve mıknatısların rotor yüzeyine yerleştirildiği bir motordur. Eksenel akılı motorun SEY analizlerinin yapılabilmesi için üç boyutlu modeller gerekmektedir. Radyal motorun aksine eksenel motorda, eksenel değişimin çok olması ve akının eksen boyunca hareket etmesi çözümlerin doğruluğu açısından üç boyutlu model kurulmasını ve analiz yapılmasını zorunlu hale getirmiştir. Radyal motor analizlerinde kullanılan SEY tabanlı paket program eksenel akılı motor için de kullanılmıştır. Çözüm sürelerinin ve bilgisayar bellek kullanımının azaltılması için eksenel akılı motorun çeyrek motor modeli üç boyutlu olarak kurulmuştur. Kurulan çeyrek motor modeli 4 oluk ve 2 kutup içermektedir, böylece simetri özelliğinden faydalanıp daha kısa sürelerde daha fazla benzetim yapma imkanı doğmuştur. Kurulan eksenel akılı motor modeli ile analizler yapılmış ve bu analiz sonuçları analitik tasarım sonuçlarıyla karşılaştırılarak, motor tasarımı doğrulanmıştır. Daha sonra yapılan SEY analizlerine eksenel ve radyal akılı motorların analitik olarak hesaplanmış verim, hacim, ağırlık ve maliyet verileri eklenerek ayrıntılı bir karşılaştırma yapılmıştır. Radyal akılı ve eksenel akılı FDAM'ları güç yoğunluğu, moment yoğunluğu, hacim, toplam ağırlık, maliyet, verim ve mil momentindeki titreşim başlıkları altında karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda tasarlanan eksenel akılı motor, radyal akılı motora göre %68,8 daha fazla güç yoğunluğuna, %209,6 daha fazla moment yoğunluğuna, %40,6 daha düşük hacme, %67,6 daha düşük ağırlığa ve %54,3 daha düşük maliyete sahiptir. Bunun yanında ise, eksenel akılı motorun verimi, radyal akılı motorun %52,67'lik verimine göre %31,9 artarak, %69,5 değerini almıştır. Eksenel motor tasarımına başlanırken hedeflenen durumlar gerçekleşmiş, yeni motor tasarımı ile birlikte güç yoğunluğu arttırılmış ve ağırlık ile hacim düşürülmüştür. Bu iyileştirmelerin yanında ise verimde de bir artış sağlanmıştır. Eksenel motorun radyal motora göre güç, moment yoğunluğunun artması hacmin ve ağırlığının azalmasının temel sebebi tasarımda kullanılan malzeme miktarının azaltılmasıdır. Eksenel ve radyal akılı motorlarda kullanılan malzeme miktarları incelendiğinde, kullanılan ferrit sürekli mıknatıs miktarlarının birbirlerine yakın oldukları görülmüştür. Bunun yanında stator ve rotor laminasyonlarında kullanılan ferromanyetik malzeme miktarı radyal motorda, eksenel motordakinin üç katından fazladır. Bu büyük farklılık ise radyal motorda, 2T civarında doymaya giren ferromanyetik malzemenin çok düşük seviyelerde kullanılmasıdır. Eksenel motorda ise ferromanyetik malzeme dirsek bölgesine yakın bölgede kullanılarak malzemeden çok daha fazla fayda sağlanmakta, bu da kullanılması gereken malzeme miktarını azaltmaktadır. Azalan ferromanyetik malzeme miktarı, hacmin ve ağırlığın küçülmesini güç ve moment yoğunluklarının eksenel motorda artmasını sağlamıştır. Ferromanyetik malzemeden faydalanma katsayısı artarken beraberinde malzemede meydana gelen histerezis ve girdap (eddy) kayıpları toplamından oluşan demir kayıpları artmaktadır. Kullanılan bakır iletken miktarı ise eksenel motorun daha küçük hacimli yapısı sonucu sarım uzunluğunun azalmasından dolayı radyal motora göre oldukça düşmüştür. Ayrıca faz sarım sayısı artmasına rağmen, faz direnci değeri radyal motora göre daha küçüktür. Bunun sebebi ise eksenel motorun yapısı sonucu sarım uzunluğunun radyal motorun sarım uzunluğuna göre oldukça kısalmasıdır. Her iki motor türü için de faz akımlarının değerleri yakın olduğundan, eksenel motorda azalan faz direnci beraberinde daha az bakır kaybı getirmektedir. Sonuç olarak, eksenel motorda demir kaybı artışına rağmen, verim üzerinde daha etkili ve büyük bir değere sahip bakır kaybındaki azalış, radyal motora göre verimi arttırmıştır. Mil momentinde oluşan titreşimler açısından ise, %55 olan radyal akılı motorun mil momenti titreşimi, eksenel motor ön tasarımında artarak %72 değerini almıştır. Daha sonra mıknatıs açısı/kutup açısı oranı, kullanılan mıknatıs hacmi sabit tutularak değiştirilmiş ve eksenel motor momentindeki titreşim %27,5 değerine düşürülmüştür. Yapılan karşılaştırmalardan görüldüğü gibi, eksenel akılı motor tasarımı ile hedeflere ulaşmış ve karşılaştırılan her alanda tasarlanan eksenel akılı fırçasız doğru akım motoru üstün çıkmıştır ve çamaşır makinelerinde kullanılabilecek yeni bir motor olduğunu kanıtlamıştır.