Kalıcı mıknatıs destekli senkron relüktans motorlarda performans artırmaya yönelik bir çalışma

Elektrik motorları kullanan farklı endüstriyel uygulamalar ve ev gereçleri gün geçtikçe daha yüksek performansa sahip ve daha verimli motorlara ihtiyaç duymaktadır. Bu ihtiyaç, yüksek verimli ve yüksek performanslı motor tasarımı konusunu, tüm dünyada yaygın bir araştırma konusu haline getirmiştir. Günümüzde bir çok çeşit elektrik makinesi görece yüksek verimlerde işletilebilmektedir. Dolayısı ile yenilikçi ve daha yüksek verimli makine tasarımı, tasarım mühendisleri için gün geçtikçe daha zor ve çaba gerektiren bir konu olmuştur. Bu tip yenilikçi ve yüksek performans hedeflerine sahip çalışmalarda en sık rastlanan motorlardan biri senkron relüktans motorlarıdır. Senkron relüktans motorları, bir çok uygulamada en çok tercih edilen motorlardan biri haline gelmektedir. Senkron relüktans motorlarını diğer motorlardan ayıran basit, hafif ve bakım gerektirmeyen rotor yapısı; araştırmacıları bu motorların rotorları üzerine bir çok eniyileme yapmaya itmiştir. Senkron Relüktans Motorlarının Jaroslav Kostko tarafından 1923'de tanıtılmasından itibaren geçen sürede motorun hem stator hem rotor yapısının iyileştirilmesi hem de performansının artırılmasına dair üzerine sayısız çalışma literatüre kazandırılmıştır. Bu eniyilemeler motorun çeşitli tiplerde çıkık rotor yapıları, laminasyon tipleri, farklı akı bariyeri tasarımları vb. gibi konuları kapsamaktadır. Bunlarla beraber Senkron Relüktans Motoru eniyilemesinde karşılaşılan bir diğer konu ise sürekli mıknatıslardır. Senkron relüktans motorlarına yapılan sürekli mıknatıs eklemesi, performans üzerinde çok ciddi bir etki yaratmış ve bugünlerde karşımıza çıkan Sürekli Mıknatıs Destekli Senkron Relüktans Motorlarını (PMaSynRM) oluşturmuştur. PMaSYnRM'ler belirli endüstriyel ve ev gereçleri uygulamalarında asenkron motorlar, PMSM ve BLDC'lerin yerini almanın yanında, bu motorlara tüm uygulamalar için çok ciddi bir alternatif olmuştur. PMaSynRM'ler sözü edilen bu motorlara kıyasla, iletken kaybından yoksun bir rotor, çok daha düşük mıknatıs hacmi, fırça kolektör sisteminin olmaması gibi bir çok avantajı beraberinde getirdiğinden daha verimli, bakımı az ve üretimi kolay motorlar olarak öne çıkmaktadırlar. Senkron Relüktans ve Mıknatıs Destekli Senkron Relüktans Motorlarının yapısı, çok fazlı bir statordan ve içerisinde herhangi bir uyarma sargısı bulunmayan bir rotordan oluşmaktadır. Stator yapısı, sıkça karşılaştırıldığı asenkron, senkron ve sürekli mıknatıslı senkron motorlar gibi birçok motor ile aynıdır. Tüm avantajları içerisinde iletken barındırmayan ve basit bir yapıya sahip rotorundan ileri gelmektedir. Bu özel rotor yapısı, statordan gelen manyetik akıya yol verecek akı bariyerlerine sahiptir. Bu akıya yön verme davranışı farklı eksenlerde farklı relüktanslara sahip yolları fiziksel olarak oluşturarak moment indükleyecek relüktans farkını yaratır. Düşük relüktansa sahip yol üzerine d-ekseni ve yüksek relüktansa sahip yol üzerine ise q-ekseni adı verilmektedir. Stator sargıları içerisinden akımlar akmaya başladığında, stator alanından gelen akı düşük relüktans yollarını izleme eğilimi gösterecek ve rotorun düşük relüktans eksenini stator alanını ekseni üzerine getirecek şekilde bir moment indükleyecektir. Dolayısı ile stator tarafında oluşturulan bir döner alan, rotoru da sürekli olarak aynı hızda dönmeye zorlayacaktır. Bu açıdan akı bariyerlerinin amacı, q-ekseni üzerindeki relüktansı en yüksek ve d-ekseni üzerindeki relüktansı da en düşük yapmaktır. Bu yollar üzerindeki indüktans değerleri de tam tersi olacak ve d-ekseni indüktansı, q-ekseni indüktansından büyük olacaktır. Performans bazında ise bu indüktans farkı arttıkça, indüklenen moment de artacaktır. Dolayısı ile eksenler arası indüktans farkının, tasarım sürecinde olabilecek en büyük değerlere getirilmesi hedeflenmektedir. Bu indüktans farkı beraberinde iki önemli tasarım kriterini getirmektedir. Bu tasarım kriterlerinden biri çıkıklık oranı olarak adlandırılan Ld/Lq oranı, diğeri ise indüktans farkı (Ld-Lq)'dur. Bu iki kriteri; bir senkron relüktans motorunun performansını belirleyen en kritik iki parametredir. Indüktans farkı indüklenecek maksimum momenti belirlerken çıkıklık oranı da işletmedeki en yüksek güç faktörü üzerinde belirleyici rol oynar. Literatür incelendiğinde, aynı geometri için bu iki parametrenin eniyilemesine dair birçok çalışma görülebilir. Bu çalışmalar incelendiğinde indüktans farkından doğan bu iki tasarım parametresi üzerine etkisi olan tasarım kriterlerinden en önemlileri akı bariyeri sayısı, akı bariyeri genişliği ve şekli ve demir bölüt genişlikleridir. Sürekli Mıknatıs Destekli Senkron Relüktans Motorlarında ise bu indüktans farkını artırmanın yolu, bu parametrelerin eniyilemesinin yanında, mıknatısları statordan gelen q-ekseni uyarmasını azaltıcı şekilde ve d-ekseni akısını destekleyici şekilde akı bariyerleri içerisine yerleştirmektir. Bu yöntemlerle d ve q-ekseni indüktans farkını artırmak, aynı boyuttaki bir mıknatıssız bir motora kıyasla daha yüksek moment elde edilebileceği anlamına gelmektedir. Sürekli mıknatısları akı bariyerleri içerisine yerleştirme sırasında mıknatısların akı bariyeri içerisindeki konumu ve hacimleri, motor performansı üzerine büyük etkide bulunur. Elde edilebilecek tüm mıknatıs kombinasyonları arasından mıknatısları mile yakın yerleştirmek, hem göreceli olarak daha iyi bir performans vermekte hem de mıknatıs yerleşim sürecini kolaylaştırmaktadır. Stator tarafında ise oluk sayısı, oluk ve diş şekli, SynRM eniyilemeleri sırasında üzerinde durulan parametrelerdir. Fakat stator tarafı eniyilemelerinin performansa etkisi rotor tarafı eniyilemelerinin etkisi kadar belirgin olmamaktadır. Tüm bu avantajlarının yanında, PMaSynRM'lerin dezavantajlarından da bahsetmek gerekir. Bu dezavantajlarının en önemli iki tanesi işletme sırasındaki moment titreşimi ve karmaşık kontrol sistemi gereksinimleridir. Bu motorlardaki moment titreşimi, akı bariyerli ve bölütlü rotorun, stator dişleri altından geçişinde oluşan ve hıza bağlı frekansla değişen farklı relüktans yollarından kaynaklanmaktadır. Bu yollardaki relüktans değişimleri işletme sırasında indüklenen momentin anlık değişimlerine yol açarak moment titreşimlerine sebep olmaktadır. Bu moment titreşimleri ise yüksek hızlarda daha belirgin olmakta ve motorun mekanik titreşimine ve akustik gürültüye sebep olmaktadır. Moment tireşimini azaltmak için birçok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalardan en etkili sonucu veren stator oluk sayısının ve rotor akı bariyeri sayısının belirli kombinasyonlara göre seçilmesidir. PMaSynRM'lerin kontrolleri tarafındaki dezavantajı değişken frekanslı bir evirici sistemi gereksinimidir. Bu motorlar; doğrudan şebekeden kalkış yapamamakta, konum algılayıcısı ve değişken frekanslı eviriciler ile kalkış yapabilmekte ve işletmede kalabilmektedirler. Sürücü devresi gereksinimi de bu makinelerin kurulum, işletme ve bakım maliyetlerini artırmaktadır. Bu tez çalışmasında, referans alınan bir çamaşır makinesi motorunun eniyilenerek yıkama ve sıkma esnasındaki performansının artırılması amaçlanmıştır. Tezin ikinci bölümünde, bu motorların analitik tasarımı ile ilgili belirli tasarım parametreleri, tanımlar ve denklemler verilmiştir. Bu parametreler arasında, kutup sayısı, izolasyon oranları, akı bariyerlerinin ve demir bölütlerin konumu ve boyutlarının performans üzerindeki etkileri açıklanmıştır. Akı bariyerlerinin ve demir bölütlerin konumlandırması ve boyutlandırlıması ile ilgili senkron relüktans motorlardaki rotor tasarımında kullanılan denklemler verilmiştir. Bu denklemlere göre, rotorun dış çapı ve mil çapı gibi boyutları kullanarak, d- ve q- ekseni üzerinde tanımlanan izolasyon oranlarına göre, bu eksenlerdeki akı bariyerlerinin ve demir bölütlerin genişliği tanımlanır. Referans olarak alınan motorun izolasyon oranlarının en uygun olduğu varsayıldığından bu tez çalışmasında bu oranlar değiştirilmemiştir. Eniyleme çalışmalara göre çizilen rotorların sadece dış çapları ve mil çapları değiştirilmiştir. Bu denklemlerden elde edilen akı bariyeri ve demir bölüt genişlikleri, tezde verilen d- ve q-ekseni indüktansların hesaplanması için geliştirilen analitik yöntemde kullanılmıştır. Bu yönteme göre indüktans değerleri, akı yolları belirlenerek ve bu yollar üzerindeki manyeto motor kuvveti denklemleri çözülerek hesaplanmaktadır. Bu denklem sisteminin sonucu olarak elde edilen hava aralığındaki manyetik akı yoğunluğu kullanılarak, d- ve q-eksenindeki toplam akı ve indüktanslar hesaplanmaktadır. Eniyileme süreci ise moment titreşimi üzerindeki etkisi de göz önünde bulundurularak hava aralığı azaltması ile başlamıştır. Devamında, hava aralığı uzunluğu ile rotorun her bir çeyreğindeki üçüncü akı bariyerlerinin arasındaki mesafenin etkisi örnek motora kıyasla aynı performansı sağlayabilecek şekilde incelenmiştir. Ayrıca mıknatısların hacimleri ve akı bariyerleri içerisindeki konumları da bu eniyilemeler sırasında incelenmiş ve sonuçları sunulmuştur. Hava aralığı uzunluğu ve mıknatıs konumlarına karar verildikten sonra, en yüksek oluk doluluk oranı göz önünde bulundurularak stator boyunduruk ve diş eniyilemeleri ön tanımlı doyma değerleri de gözetilerek yapılmıştır. Stator eniyilemeleri, sargı tiplerinin incelenmesi ile devam etmiştir. Tek ve çift tabakalı sargılar denenerek ortalama moment ve moment titreşimi üzerindeki etkileri belirlenmiştir. Kullanılan malzemeler tarafında ise, iki farklı ferromanyetik malzemenin performansa etkisi incelenmiştir. Stator ve rotorda M700 ve M350 sınıfı silisli çelik kullanarak demir kayıpları üzerinde etkisi araştırılmış ve prototipleme aşaması için uygun olana karar verilmiştir. Stator üzerindeki genel maksatlı eniyilemeler tamamlandıktan sonra geometrinin detaylarındaki eniyilemeler yapılmış stator oluk şekli, oluk açıklığı yüksekliği ve oluk açıklığı genişliği eniyilenerek prototip performansı üzerine etkileri incelenmiştir. Tüm elektromanyetik analizler Maxwell 2D ve Motor-CAD isimli ticari paket programlarında sonlu elemanlar yöntemi ile iki boyutlu olarak modellenmiş ve analiz edilmiştir. Sıkma modu işletmesindeki alan zayıflatma bölgesi de dahil olmak üzere tüm hız aralığında verim haritası Motor-CAD yazılımı ile çıkartılmış ve işletme koşullarına ilişkin akım, moment ve faz açıları gerilim ve akım sınırlı bölgeler için verilmiştir. Tasarım süreci sonunda elde edilen prototip üretilmiş, testleri yapılmış ve deneysel sonuçlar ile benzetim sonuçları karşılaştırılarak uygulanan yöntemin doğruluğu gösterilmiştir. Elektormanyetik analiz ve prototip sonuçlarına göre eniyilenen prototip motorun ısısal analizi Motor-CAD yazılımı ile yapılmıştır. Elde edilen ısısal analiz sonuçları referans motor ile karşılaştırılarak eniyileme sürecinin olumlu sonuçları sunulmuştur. Isısal analize motorun tüm bölgelerindeki bakır ve demir kayıpları dahil edilmiştir. Isısal analizi mekanik zorlanma analizleri takip etmektedir. Mekanik zorlanmaların ve mekanik bütünlüğün sağlandığını analiz etmek amacı ile prototip ve referans motor ANSYS Statik Yapısal Modül üzerinde hem yıkama hem de sıkma modunda analiz edilmiştir. Yüksek hızlarda yarıçapsal merkezkaç kuvvetinin etkilerinin yol açtığı mekanik bozulmanın boyutları sunulmuştur.