Kompresör uygulaması için sürekli mıknatıslı senkron motor tasarımı

Beyaz eşya uygulamalarında kullanılan elektrik motorlarının verimliliğine ilişkin yönetmelik ve standartlar sürekli olarak değişmektedir. Her geçen gün daha da kritik bir durum haline gelen enerji verimliliği günümüzün en güncel konularından birisidir. Dünya pazarındaki rekabetçi ortam ele alındığında şirketlerin yatırım bütçelerinin önemli bir kısmını bu husus için harcadıkları görülmektedir. Performans ve verim açısından bakıldığında sürekli mıknatısların kullanıldığı motor teknolojilerinin günümüzün en popüler konularından birisi konumuna geldiği kolaylıkla söylenebilir. Buzdolabı kompresör uygulamalarına bakıldığında hala yaygın olarak bir faz asenkron motor kullanıldığı görülmektedir. Bu motorlar herhangi bir sürücü kartı olmadan direkt olarak şebekeden beslenerek sabit bir hızda çalışmaktadır. Sabit hızda çalışıyor olması sistem performansı açısından bir dezavantaj olarak bilinmektedir. Çünkü motor belli bir süreden sonra çalışmasını keser. Buzdolabı soğutma kapasitesi düştüğü anda ise motor tekrardan çalışmaya başlar. Yeniden çalışmaya geçtiği anda şebekeden çekilen akım yüksek olur ve bu tüketim açısından istenmeyen bir durumdur. Bütün bunlar göz önünde bulundurulduğunda güç elektroniği motor kontrol devreleri ile kolayca farklı hızlarda kontrol edilebilen sürekli mıknatıslı motorlar buzdolabı uygulamaları için popüler hale gelmiştir. Sürekli mıknatıslı senkron motorlar birim hacimden alının yüksek moment, yüksek hızlara çıkabilme, düşük hızlarda kolayca kontrol edilebilme, sessiz çalışma yapabilme, yüksek verim ve boyutsal avantajları sayesinde kompresör uygulamaları için cazip hale gelmiştir. Özellikle manyetik malzeme ve mıknatıs teknolojisindeki ilerlemeler ile maliyetlerin giderek düşmesi beyaz eşya uygulamalarında bu motorları tercih sebebi yapmıştır. İlk olarak literatürde yer alan sürekli mıknatıslı motorlara ilişkin tasarım çalışmaları çok detaylı bir biçimde incelenmiştir. Yapılan akademik çalışmalara bakıldığında tasarım anlamında stator ve rotor kısmı için çok farklı durumların incelendiği görülmüştür. Yapılan her bir tasarım iyileştirmesinin altında yatan temel sebeplerin vuruntu momenti, moment dalgalılığı ve kayıpların minimize edilmeye çalışıldığının altının çizildiği anlaşılmıştır. Stator tarafı için uygun oluk/kutup seçiminin, sargıların oluklara yerleştirilmesinin, kaykı vermenin, uygun oluk açıklığı belirlenmesinin iyi bir tasarım için olmazsa olmaz parametreler olduğu görülmüştür. Rotor tarafında ise uygun mıknatıs yay açısı tayin etmenin, mıknatısların kenarlarında gerçekleştirilen farklı tasarım modellerinin, mıknatıs kaykı ve segmentasyonun daha kaliteli bir çıkış momenti elde edilmesindeki önemi birçok çalışmada ayrı ayrı ele alınmıştır. Tüm bu kriterlerden yola çıkarak motor tasarım aşamaları yürütülmüştür. Yapılan ön çalışmadan sonra tasarlanacak olan modele ilişkin isterler belirlenmiştir. Motorun hız-moment eğrisi, motoru sürecek olan maksimum akım değeri gibi değişkenler belirlendikten sonra referans olarak seçilen modelin bilgisayar ortamında iki boyutlu sonlu eleman analizleri gerçekleştirilmiştir. Referans olarak seçilen motor altı oluk dört kutuplu, yüzey mıknatıslı bir fırçasız doğru akım motorudur. Analiz çıktıları olarak bu motora ilişin vuruntu momenti, zıt-EMK, çıkış momenti, bakır ve demir kayıpları, moment dalgalılığı değerleri grafik ve tablo çıktısı olarak yer almıştır. Trapezoidal bir zıt-EMK'ya sahip olan bu motor kare dalga akımı ile sürülmüştür. İki boyutlu sonlu eleman analizi gerçekleştirildikten sonra referans motora ilişikin üç boyut sonlu eleman analizleri de bilgisayar ortamında gerçekleştirilmiştir. Mıknatısların stator paket boyundan beş milimetre daha uzun olmasının etkileri üç boyutlu analiz ile net bir biçimde çalışma sonunda görülmüştür. Referans modele ilişkin çalışmalar tamamlandıktan sonra alternatif motor tasarım süreci başlamıştır. İlk olarak bu motora ilişkin uygun oluk/kutup konfigürasyonu belirlenmiştir. Daha sonra ise bu motorun referans modelde olduğu gibi yüzey mıknatıslı olarak tasarlanacağına karar verilmiştir. Tasarım detayları belirlenen motora ilişkin yapılan ilk çalışma manyetik eş değer devre tabanlı analitik çözüm yapan Speed® programında gerçekleştirilmiştir. Speed® ortamında modeli oluşturulan ve istenilen hız-moment değerlerine çıkabilen motora ilişkin çıktılar incelendiğinde trapezoidal bir zıt-EMK'ya sahip olduğu görülmüştür. Ancak bu tez kapsamında sinüzoidal bir zıt-EMK'ya sahip motor tasarımının gerçekleştirileceği tezin amacı olarak belirlenmiştir. Bu yüzden daha sonraki tasarım ve değişiklik süreçleri sonlu elemanlar analizi gerçekleştirilen ANSYS Maxwell® programında iki boyutlu ve üç boyutlu olarak tamamlanmıştır. Literatür çalışmalarında sıklıkla rastlanılan yöntemlerden birisi olan pah kırma işlemi klasik tipteki yüzey mıknatıslı yapı ile parametrik olarak çalışılarak en uygun mıknatıs yapısı belirlenmiştir. Stator tarafında ise toplam harmonik bozulmayı minimum şekilde verecek olan kesirli oluk çift tabakalı sargı yapısı kullanılmıştır. İki boyutlu motor tasarım aşamaları sona erdikten sonra vuruntu momenti, zıt-EMK, çıkış momenti ve motor kayıpları incelenmiş ve sonuçlar değerlendirilmiştir. İki boyutlu analiz çalışmaları tamamlandıktan sonra alternarif motor tasarımı üç boyutlu olarak ele alınmıştır. Rotor paketi ve mıknatısların stator paketinden dört milimetre uzun olmasının etkisi üç boyutlu analiz sonucunda daha iyi bir şekilde görülmüştür. Üç boyutlu analizler sonucunda zıt-EMK değerinin tepeden tepeye daha yüksek olduğu, çıkış momentinin de aynı akım değeri ile sürülmesiyle daha yüksek olduğu ortaya konmuştur. Tamamlanan analiz çalışmalarından sonra referans olarak ele alınan model ile alternatif motor tasarımı 3D analiz sonuçlarına göre karşılaştırılmıştır. İlk olarak vuruntu momenti karşılaştırılan motorlardan alternatif olarak tasarımı gerçekleştirilen SMSM'un daha iyi olduğu görülmüştür. Hava aralığı momenti analizleri sonucunda referans motor modelinin moment dalgalılığının oldukça yüksek olduğu sonucuna varılmıştır. Bu değer referans model için %57 seviyesindeyken alternatif motor tasarımı için %10 olarak elde edilmiştir. Moment kalitesi anlamında alternatif olarak tasarlanan motorun daha iyi bir tasarım olduğu ortaya konmuştur. Gerilim harmonikleri incelendiğinde de alternatif olarak tasarlanan motorun harmonik distorsiyon seviyesinin %1'in altında olduğu görülmüştür. Verim olarak ise alternatif motor referans motora göre %2-3 daha iyi durumda olduğu çalışma sonucu olarak verilmiştir. Tasarımı tamamlanan motorun prototip aşamasına gidilmiştir. Motora ilişkin laminasyon ve mıknatıs çizimleri teknik resim olarak hazırlanmıştır. Motorda kullanılan mıknatıslar paralel olarak şoklanmıştır. Motor malzeme teminleri gerçekleştirildikten sonra motor toplanmış ve test için hazır hale getirilmiştir. Üretilen motorun laboratuvar ortamında testleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen deneysel veriler ile analiz çıktıları karşılaştırılmıştır. Zıt-EMK, moment ve güç ölçümleri test ortamında alınan motorun 3D analiz sonuçlar ile yakın sonuçlar verdiği çalışma sonucunda görülmüştür. Tez çalışmasının sonuç bölümünde iyi bir tasarım süreci ile motor boyutlarının ve kullanılan malzeme miktarlarının azaltıldığı, daha küçük ve daha kompakt, verim anlamında daha üst noktalarda olan ve moment kalitesinin daha yüksek olduğu bir motor ortaya konduğunun altı çizilmiştir.