Hibrit kalıcı mıknatıslı rotor topolojisinin incelenmesi

Çevresel kaygıların artmasından ötürü, teknoloji günümüzde materyallerin daha verimli kullanılmasına doğru bir gelişim içerisindedir. Daha az ya da aynı miktarda malzeme kullanımıyla daha yüksek performans elde etmek bu gelişimdeki en önemli arayış ve amaçtır. Bu bağlamda elektrik motorları, elektrik enerjisini mekanik harekete dönüştüren ve hemen her uygulamada kullanılan bir makina türü olduğundan, en popüler araştırma konularının başında gelmektedir. Elektrik enerjisinin büyük çoğunlukla elektrik makinaları aracılığıyla üretilmesi ve yine bu makinalar tarafından tüketilmesi elektrik makinalarının yapımında kullanılan malzemelerin verimli kullanımı çok önemli kılar. Elektrik makinalarının spesifik uygulamalara yönelik isterlerinin aynı ya da daha küçük ebatlarda elde edilmesi, sadece elektrik makinalarının yapımında kullanılan malzemelerin daha verimli kullanılmasına değil aynı zamanda, toplam sistem hacminin ve materyallerinin de daha efektif kullanımına olanak sağlayacaktır. Geçtiğimiz yıllarda yüksek performanslı kalıcı mıknatısların ve nüve malzemelerinin de kullanımıyla, sürekli mıknatıslı elektrik motorları, daha önce klasik senkron, asenkron ve fırçalı doğru akım motorunun sıklıkla kullanıldığı uygulamalarda kendine geniş yer bulmuştur. Sürekli mıknatısların yüksek enerji yoğunluğundan yararlanan mıknatıslı elektrik motorları, diğer motorlara göre daha düşük hacim ve daha yüksek güç yoğunluğu sunmaktadır. Rüzgar türbinleri ve elektrikli araçların popüler hale gelmesi, hem doğru akım hem de alternatif akımla sürülen sürekli mıknatıslı elektrik motorların popülerliğini önemli derecede arttırmış ve bu alanda yapılan çalışmaların genişlemesine olanak sağlamıştır. Hem özel hem de genel uygulamalar için kendilerine geniş yer bulan sürekli mıknatıslı elektrik motorları, daha iyi performans verebilmeleri için, farklı stator ve rotor yapılarıyla beraber incelenmiş, geliştirilmiş ve farklı tipleri önerilmiştir. Gelişmekte olan teknolojiyle beraber bu araştırmalar daha da hızlanarak devam etmektedir. Bu çalışmada, yakın geçmişte önerilmiş kalıcı mıknatlıslı bir hibrit rotor yapısı, motorun limitlerini ve performans kabiliyetlerini derinlemesine incelenmek amacıyla seçilmiştir. Literatür özeti kısmında elektrik motorlarının tarihiyle ilgili bilgi verilmiş ve daha sonra literatürdeki farklı motor yapıları incelenmiştir. Yapılan araştırmada hibrit yapıda olan motorlara ağırlık verilmiş ve incelenmesinin faydalı olacağı düşünülen bir model seçilmiştir. Motor ön tasarım sürecinde herhangi bir yazılıma olan bağlımlılığı azaltmak adına, sürekli elektrik motorlarının teorisi incelenmiş ve ilgili denklemler sunulmuştur. Daha sonra, bu denklemler kullanılarak bir ön tasarım yapılmış ve piyasada kullanılan yazılımla yapılan tasarım sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Bahsedilen hibrit yapı, yüzeyden mıknatıslı ve gömülü mıknatıslı (V tipi) motorun mıknatıslarının tek bir rotorda birleştirilmiş halidir. Karmaşık olan bu yapının oluşturulabilmesi ve karşılaştırılabilmesi için aynı ebatlarda yüzeyden mıknatıslı ve gömülü mıknatıslı motor tasarımlarına ihtiyaç olduğu belirlenmiştir. Daha önce şirket bünyesinde tasarımı yapılan kesirli oluklu yüzeyden mıknatıslı bir motor üzerine çalışmalar yapılmış ve analiz sonuçları paylaşılmıştır. 27 oluk ve 8 kutup kombinasyonunda olan bu yapı için, stator boyutları ve mıknatıs hacmi sabit kalacak şekilde bir gömülü mıknatıslı (V tipi) motor tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarım aracı olarak iki boyutlu sonlu elemanlar yöntemi kullanılmıştır. Daha sonra, iki motordaki mıknatıs sayısı yarıya indirilerek, gömülü tip mıknatıslar kuzey, yüzeyden mıknatıslar ise güney kutbu oluşturacak şekilde birleştirme yapılmış ve hibrit yapıya ilişkin ilk tasarım elde edilmiştir. Oluşturulan hibrit yapının mıknatıs şekilleri ve pozisyonları değiştirilerek, bunların motor performansı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Geniş bir optimizasyon çalışmasıyla tek bir parametreye odaklanılıp nihai bir tasarım seçilmiş ve detaylı analizleri gerçekleştirilmiştir. Daha geniş inceleme yapılabilmesi amacıyla, hibrit rotor yapısının, tam sayı oluklu bir kombinasyonda, aynı zamanda daha geniş bir optimizasyon yapılabilmesi adına daha büyük boyutlarda çalışılmasına karar verilmiştir. Bunun için önce, denklemler yardımıyla yüzeyden mıknatıslı bir motor tasarımı yapılmıştır. Sonuçlar piyasada kullanılan yazılım ile elde edilenlerle kıyaslanmış ve daha sonra detaylı tasarım için iki boyutlu sonlu elemanlar yazılımı kullanılmıştır. Optimizasyonu yapılan yüzeyden mıknatıslı motorun en düşük moment dalgalılığı noktası bulunarak nihai tasarım tamamlanmıştır. Gömülü tip bir mıknatıslı motor, iki boyutlu sonlu elamanlar yazılımı kullanılarak tasarlanmış ve yine en düşük moment dalgalılığı elde edilmek üzere optimizasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Gerekli analizlerin tamamlanmasının ardından, önceki bölümde olduğu gibi iki motora ait mıknatıslar birleştirilerek hibrit yapı oluşturulmuştur. Mıknatıs boyutları mümkün olan sınırlar çerçevesinde değiştirilip etkileri incelendikten sonra, en düşük moment dalgalılığı noktası bulunarak nihai tasarım yapılmıştır. Tasarım kısmının tamamlanmasının ardından, tam sayı oluklu motorun prototip üretiminin yapılmasına karar verilmiştir. Üretim ve test kolaylığı bakımından şirket bünyesinde daha önceden üretilmiş bir motor boyutlarına yakın boyutlara ulaşılabilmesi için hibrit motor yeniden boyutlandırılmıştır. Rotor yapısının özel olmasından ötürü, mıknatısların düzgin bir biçimde yerleştirilebilmesi ve konumlarını koruyabilmesi adına, gömülü tip mıknatısların alt ve üst kısmındaki rotor olukları kaydırılarak mıknatısların kayması engellenecek şekilde tasarım revize edilmiştir. Aynı zamanda yüzeyden mıknatısların istenilen biçimde yerleştirilebilmesi için, rotora küçük çıkıntılar verilmiştir. Bu işlemler tasarımdan ayrı olarak, yine iki boyutlu sonlu elemanlar yazılımı kullanılarak analiz edilmiş ve motorun manyetik olarak etkilenmediği değişiklikler yapılmasına özen gösterilmiştir. Motor sac kesimi için gerekli teknik resimler hazırlanmış ve hassas lazer kesim makinasında kesilmiştir. Mıknatısların temini için de teknik resimler hazırlanmış ve mıknatıslar istenilen hassas boyutlara uygun olarak temin edilmiştir. Hassas lazer kesim makinası ile kesilen stator ve rotor laminasyonları, gerekli yerlerden kaynaklar yapılarak birleştirilmiştir. Stator ve rotor saclarının birleştirilmesinin ardından özel yapıştırıcı ile mıknatıslar yapıştırılmış ve sarım işlemi yapılmıştır. Prototip üretimin tamamlanmasının ardından motor laboratuvar ortamında test edilmiştir. Analiz ve test sonuçları arasında güzel bir örtüşme elde edilmiştir. Yapılan çalışmalarda, kesirli oluklu motor yapısının mevcut olan motor boyutlarında referans olarak kullanılan yüzeyden mıknatıslı ve gömülü tip mıknatıslı motorlara göre daha düşük performans gösterdiği sonucuna varılmıştır. Öte yandan tam sayı oluklu hibrit motor moment dalgalılığı ve toplam harmonik bozulma parametreleri bakımından referans olarak kullanılan yüzeyden mıknatıslı ve gömülü tip mıknatıslı motorlara göre daha iyi performans göstermiştir.