Senkron relüktans motorlarda kalıcı mıknatıs kullanarak performans arttırılması

Elektrik motorları akıllı cihazlarımızdan nükleer santrallere kadar hayatın her alanında kendisine yer edinmiştir. Yüksek miktarda kullanımından dolayı teknolojik olarak gelişmiş olsalar da gelişmesi gereken ya da gelişebilecek farklı alanlar barındırmaktadır. Dünyada üretilen elektriğin %65'i elektrik motorlarında harcanmaktadır. Bu oran ülkemizde %70 seviyelerine çıkmaktadır. Elektrik üretimi kısmında ise %93'lük bir kısım elektrik makinalarından sağlanmaktadır. Küresel olarak bu kadar yüksek oranda tüketim ve üretim yapılan bir alanda yapılacak iyileştirmeler ekonomik ve çevresel olarak çok büyük etki yapacaktır. Hem teknolojinin ve ihtiyacın artması hem de elektrikli araçların çoğalması sonucu elektrik motorlarında harcanan enerji miktarı ciddi boyutlara ulaşacaktır. Günümüzde verimlilik ve uzun ömür her üründen beklediğimiz temel kriterlerden birisi haline gelmiştir. Bu durum elektrik motorları için de geçerlidir. Bu amaç için var olan motorlarda iyileştirme çalışmaları ve farklı kombinasyonları deneme çalışmaları sürmektedir. Bu çalışmalardan olan Mıknatıs Destekli Senkron Relüktans Motorlar (MDSynRM) son zamanlarda dikkat çekmektedir. MDSynRM temeli Senkron Relüktans Motorlardan (SynRM) ve Gömülü Mıknatıslı Senkron Motorlardan gelmektedir. SynRM rotorunda sargı bulundurmaması, akı bariyerleri sayesinde ağırlık avantajının olması, bakım ve maliyet konularında avantajlı olması ve gelişen sürücü teknolojileri ile geleneksel motorlarla kıyaslanabilir ve uygulamaya göre tercih edilir motor tipi olarak günümüzde kendisine yer edinmektedir. SynRM motorunun dezavantajlarından olan düşük güç faktörü ve düşük güç yoğunluğu sebebiyle küçük hacim ve yüksek performans gerektiren (örn. Elektrikli araçlar) ya da yüksek verim gerektiren konularında sabit mıknatıslı senkron motorları (PMSM) ilgili alanda lider yapmaktadır. SynRM motorların bu eksilerini gidermek için rotorunda bulunan akı bariyerlerine mıknatıs ekleyerek MDSynRM tipi motorlar elde edilebilmektedir. SynRM ve MDSynRM tipi motorlar standart çok fazlı elektrik motoru ile aynı stator yapısını kullanmaktadır. Bu motorların temel farkı rotor kısmında meydana gelmektedir. Temel mantığı statorda oluşan manyetik alanın en az direnç ile karışılacağı yolu takip etmesine dayanmaktadır. Günümüz motorlarında bunu sağlamak için hava aralığı kullanılmaktadır. Bu hava aralıkları belirli bir düzen ile oluşturulup statorda oluşan manyetik alanın rotor üzerinde tork oluşturmasını sağlar. Endüktans matrislerin çözümü uzun ve karmaşık olduğu için rotor yapısını belirli dönüşüm yöntemleri ile d ve q eksenleri olarak tanımlamak mümkündür. d ekseni en düşük manyetik direnç (Relüktans) olan yönü tanımlarken q ekseni en yüksek manyetik direnç olan yolu tanımlamaktadır. SynRM ya da MDSynRM tipi motorlar d ve q eksenleri endüktans oranına (Çıkıklık) göre çalışmaktadır. D ekseni endüktansı yüksek değerde iken q ekseni endüktansı küçük değerde olur. Bu oranın yüksek olması makinenin performansı açısından önemlidir. Oranı yüksek tutmak için akı bariyerleri farklı sayılarda, şekilde ve düzende tasarlanır. MDSynRM için rotorun q eksenine mıknatıslar eklenir. Bu sayede q ekseni endüktansı daha da küçük bir değere ulaşır. Bu düşüşün sonucu olarak q ekseni üzerinden geçen akı da azalacağı için d ekseni de bu durumdan etkilenir ve endüktansı bir miktar artar. Sonuç olarak daha yüksek çıkıklık oranı sayesinde performans üzerinde olumlu artış gerçekleşir. Bu tezde var olan bir senkron relüktans motor referans olarak alınmıştır. Referans motorun boyutlarında ve gücünde MDSynRM tasarlanmıştır. Öncelikle referans motor paket programlar üzerinde modellenmiş ve katalog bilgileri ile simülasyon sonuçlarının tutarlılığı gözlemlenmiştir. Ardından bu ölçülerde rotor tasarımı için çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Akı bariyeri sayısı, genişlikleri, kenar boşlukları gibi parametreler üzerinde en iyileme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bu işlemler sırasında daha yüksek performans veren tasarımlar olmasına rağmen üretilebilirlik, maliyet ve malzeme temini konuları da dikkate alınmıştır. Rotorun temel geometrisi hazırlandıktan sonra bariyerlere bütün kombinasyonlarda ve farklı uzunluklarda mıknatıslar yerleştirilerek simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Rotor tasarımı sonrası stator üzerinde çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Burada da farklı oluk sayısı, diş genişliği, sargı tipi ve düzeni konusunda en iyileme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmalar ile daha yüksek verim, daha yüksek güç faktörü ve daha düşük akım değeri ile çalışan, referans motor ile aynı güç değerinde olan motor tasarımı oluşturulmuştur.