IE2 verim sınıfından IE4 verim sınıfına geçişte asenkron motor tasarımı

Nüfusun hızla artması ve hızlı sanayileşme, beraberinde artan enerji tüketimini de getirmektedir. Gün geçtikçe enerji ihtiyacını karşılayabilmek için yeni enerji üretim tesisleri kurulmaya çalışılmaktadır. Ancak unutulmamalıdır ki bu tesisler enerji üretebilmek için petrol, doğalgaz, kömür gibi yakıtlara ihtiyaç duymaktadır. Bu ham maddelerin kullanılması sonucu doğaya salınan karbon miktarı her geçen gün biraz daha artmaktadır ve bu da küresel ısınmayı tetiklemektedir. Bu şartlar altında mevcut kurulu gücün en iyi şekilde kullanılması ve kullanılan enerjinin verim değerinin yükseltilmesi gerekmektedir. Hem ev tipi hem de endüstriyel uygulamalar düşünüldüğünde elektrik enerjisinin büyük bir kısmı elektrik motorları tarafından tüketilmektedir. Bu sebeple mevcut enerjiyi daha verimli kullanabilmek için elektrik motorlarındaki tasarrufa yönelmek doğru bir yaklaşım olacaktır. Elektrik enerjisi ile çalışan hemen hemen tüm ürünlerde enerji tüketim sınıfları tanımlanmıştır. Endüstriyel motorlar için de International Electrotechnical Commission (IEC) , National Electrical Manufacturers Association (NEMA) gibi kuruluşların belirlemiş olduğu verim sınıfları vardır. IEC 60034-30-1 standardı; döner elektrik makinaları için IE1, IE2, IE3 ve IE4 olmak üzere motorların verim seviyelerini sınıflandırmıştır. Avrupa Birliği ve Türkiye yayınladığı yönetmeliklerle 1 Ocak 2017 yılı itibari ile 0,75 kW ve üzeri motorlar için IE3 verimlilik sınıfını zorunlu hale getirmiştir. Devreye giren yönetmelikler ve enerjiyi verimli kullanma bilincinin artması sonucunda, motor verimlerinin IE3 ve üzeri verim sınıflarına çıkarılması günümüzde motor üreticilerinin üzerinde durdukları konulardan biridir. Bu kapsamda bu tez çalışması boyunca IE2 verim sınıfına sahip bir motorun verim değerinin çeşitli yöntemler kullanılarak IE4' e çıkarılması amaçlanmaktadır. Motor verimliliğini arttırabilmek için motorda oluşan kayıpların azaltılması gerekmektedir. Yapılan literatür taraması kayıpları azaltmak için çeşitli yöntemlerin olduğunu göstermektedir. Genel olarak iki çeşit yaklaşım mevcuttur. Bunlardan birincisi mevcut ürün üzerinde kullanılan malzemelerin iyileştirilmesidir. Diğer yaklaşım ise stator ve rotorun yeniden tasarlanmasıdır. Tez çalışması iki aşamada yürütülmüştür. İlk olarak referans motor seçilmiştir. Modelleme için kullanılacak olan tasarım programlarına (SPEED ve ANSYS Maxwell 2D) motor parametreleri tanıtılmıştır. Analizler için hem analitik hem de sayısal (Sonlu Elemanlar Yöntemi) yöntemler kullanılmıştır. Referans motorun; analitik ve Sonlu Elemanlar Yöntemi (SEY) sonuçları motorun standartlara uygun laboratuvar ortamında gerçekleştirilen test değerleri ile karşılaştırılmış ve sonuçların tutarlı olduğu gösterilmiştir. Bu sayede, mevcut motor üzerinden yapılacak olan iyileştirme çalışmaları esnasında numune üretilmeden testlerde elde edilecek sonuca yakın bir değer önceden tahmin edilebilecek olup gereksiz numunelerin üretilmesine engel olunacaktır. Yapılan çalışmada öncelikle mevcut stator ve rotor laminasyonu üzerinde malzeme ve sargı tabanlı iyileştirmeler yapılmıştır. Daha sonra yeni bir stator ve rotor yaklaşımı ile farklı modeller tasarlanmıştır. Yapılan farklı tasarımlar kayıpların birçok şekilde azaltılabileceğini göstermiştir. Üretim teknolojileri kısıtlarından dolayı bazı tasarımların numuneler üretilememiş, sonuçlar sadece analitik olarak verilmiştir. Referans motorun veriminin iyileştirilmesi çalışmalarında tasarım 1 motorda referans motora göre stator bakır oranı arttırılmış ve sargı direncinin düşürülmesi hedeflenmiştir. Tasarım 2 motorda ise tasarım 1 motora ilave olarak laminasyonları oluşturan sac malzemesi M700'den M270'e çevrilecektir. Bu değişiklikler sonucunda da tasarım 1'de elde edilen iyileştirmelere ek olarak motorda meydana gelen demir kayıpları azalacaktır. Tasarım 2 motorun rulmanları sürtünme kayıpları iyileştirilmiş rulmanlardan kullanılacak ve motorun sürtünme kayıpları da azaltılacaktır. Tasarım 3 motorda ise tasarım 2 motora ilave olarak motorun stator ve rotor paket boyu bir miktar uzatılacaktır. Bu değişiklikler sayesinde tasarım 3 motorda tasarım 2 motora ilave manyetik akı yoğunluğunun paket boyu artmasından dolayı azalmasına istinaden demir ve stator kayıplarının azalması sağlanacak verim daha da artacaktır. Tasarım 4 motorda ise tasarım 3 motora ilave olarak paket boyları bir miktar daha arttırılacaktır. Demir ve stator kayıpları manyetik akı yoğunluğunun azalmasına bağlı olarak azalacaktır. Tasarım 5 motorda yeni bir stator ve rotor laminasyon tasarımı yapılacaktır. Yeni laminasyon için kullanılacak sac tipi M700 olacaktır. Paket boyu referans motora göre bir miktar azalacaktır. Bununla birlikte statorda kullanılan bakır miktarı arttırılacak ancak stator olukları bu tasarım için tam olarak doldurulmayacaktır. Rulman olarak referans motordan farklı olarak kayıpları iyileştirilmiş rulman kullanılacaktır. Tasarım 6 motorda tasarım 5 motor üzerinden iyileştirme çalışmalarına devam edilmiştir ve tasarım 5 motorun stator doluluk oranı arttırılmış paket boyu tasarım 5 motora göre bir miktar arttırılmıştır ve motorun stator sargı kayıpları azaltılmıştır. Tasarım 7 motorda rotor kaçak akımlarını azaltabilmek için tasarım 6'daki motorun ısıl şoklaması yapılmıştır ve ek kayıpların azalması sağlanmıştır. Tasarım 8, tasarım 9 ve tasarım 10 motorlarda ise sırası ile tasarım 1, tasarım 4 ve tasarım 6 motorların rotor çubuklarının bakır çubuklar ile değiştirilmesi durumu analiz edilmiştir. Bunun sonucunda da motorların rotor bakır kayıpları ciddi oranda azalmış, motor devir sayıları yükselmiş ve verim değeri en üst düzeye çıkarılmıştır. Çalışmanın son kısmında yapılan çalışmalar özetlenmiş farklı tasarımlar için iyileşen verim değerleri ve verim sınıfları tablosu paylaşılmıştır. Farklı yöntemler farklı iyileşmeler meydana getirmektedir. Bakır kayıplarının ve demir kayıplarının azaltılmasının motorun verimini daha çok etkilediği açıkça görülmektedir. Paket boyu artışı, verimli sac kullanımı, verimli rulman kullanımı ve stator sargısı bakır miktarının arttırılması motor verimliliğini arttırmaktadır. Buna paralel olarak bakır rotor çubukları ve uç halkaları uygulaması ise verim değerini ciddi oranda yükseltmektedir.