Geri Dön

Design of permanent magnet synchronous motor for elevator application

Asansörler için sürekli mıknatıslı senkron motor tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 496366
  2. Yazar: HOSEIN BAKHTIARZADEH
  3. Danışmanlar: YRD. DOÇ. LALE ERGENE
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 120

Özet

Asansör; yükleri veya insanları, alçak veya yüksek yerlere dikine indirip çıkarmaya yarayan ve bir platform kabinden meydana gelen makine düzeneğidir. Çok eski çağlarda bile insanlar ağır yükleri kaldırmak için makinelerden yararlanma yoluna gitmişlerdir. 19. yüzyıla kadar bu taşıma sistemine benzer insan ve hayvan gücüyle çalışan ve herhangi bir güvenlik önlemi olmayan sistemler sanayinin birçok alanında yük transferi amacıyla kullanılmıştır. 19. yüzyılın ortalarına kadar büyük iş kolaylığı sağlamasına rağmen asansörler, can ve mal güvenliği konusunda çok büyük sıkıntılara neden olmaktaydı. Yapılan çalışmalar sonucunda 1853 yılında, Elisha Grave Otis buharla çalışan ve insan taşıma amaçlı ilk yük taşıma sistemini geliştirmeyi başarmıştır. Kullanılış biçimlerine ve amaçlarına göre yük ve insan asansörleri olarak sınıflandırılan asansörlerin; hidrolik, pnömatik, vinç, manyetik ve tırmanma asansörü gibi farklı kullanımları bulunmaktadır. Bu tez çalışması; düşük hızlı ve yüksek momente sahip sürekli mıknatıslı senkron motorları (PMSM) ve bu tip motorların çekiş asansörlerinde kullanılmasını, aynı zamanda ticari adıyla 'dişlisiz' (ing: gearless) motorlarla ilişkilerinin araştırılmasını ele almaktadır. Önceleri çekiş asansörü için genellikle mekanik şanzımanlı yani dişli kutusu barındıran asenkron motorlar kullanılıyordu. Dişli kutusunun görevi, açısal hızı istenilen hıza indirmek veya çıkarmaktır. Ancak bu sistemin; çok düşük verim, yüksek gürültü, makine odası ihtiyacı, sık sık şanzıman yağlanması gereksinimi gibi birçok dezavantajı vardır. Bir diğer seçenek ise, güç elektroniği cihazlarıyla kontrol edilen düşük hızlı sürekli mıknatıslı motorlardır. Fakat bu sistem çok pahalı olduğundan ticari olarak kullanımı mantıklı değildi. Son yıllarda, neodyum mıknatısların fiyatlarının düşmesi ve güç elektroniğinin geliştirilmesi ile beraber sürekli mıknatıslı motorlar, tüm bu dezavantajlara çözüm üreterek asenkron motor için ciddi bir rakip olmuştur. Asansör endüstrisinde birçok çeşit süspansiyon olmakla beraber, 1:1 ve 2:1 süspansiyonları çok yaygındır. Dişlisiz motorlar için genellikle 2:1 süspansiyon önerilmektedir. Bu tez çalışmasında; saniyede bir metre hızla çalışan sekiz kişilik bir asansörün analizleri yapılacaktır. Sürekli mıknatıslı motorlar için; içten rotorlu, dıştan rotorlu ve eksenel olmak üzere üç temel yapı vardır ve tüm bu motorlar asansör endüstrisinde kullanılmaktadır. Motorun kurulumu asansör kuyusuna yapılacaktır ve burada yeterli alan olmaması sebebiyle, daha ufak hacme sahip olan motorlar tercih edilmektedir. Modern bir asansörün; elektrik motoru, enkoder ve evirici temel bileşenlerini oluşturmaktadır. Enkoder, motorun konumunu ve kabin konumunu belirlemekte ve bu veriler doğrultusunda elektrikli motorun kontrolü için gerekli işaretler evirici tarafından üretilmektedir. Mıknatıslı motorların ilk kullanımı 19. yüzyılın başlarına kadar gitse de, yukarıda da belirtilen sebeplerden dolayı, 20. yüzyılın son yıllarından itibaren sürekli mıknatıslı motorların üretimi artmıştır. Rotor yapısına göre farklı tiplerde sürekli mıknatıslı senkron motorlar olmakla birlikte, bu tez çalışması kapsamında, rotoru yüzey mıknatıslı senkron motor analiz edilmiştir. Dönme hareketi, açısal konum, açısal hız, açısal ivme, moment, elektromanyetik kuvvet, rotor üzerindeki moment, Faraday yasası, indüklenen gerilim (Back EMF), elektromanyetik güç, fazör diyagramı ve elektrik motorlarında kayıp gibi elektrik motorlarına ait birçok tanım ve sürekli mıknatıslı motor bileşenleri olan stator, rotor, mil, sargı ve sürekli mıknatıslar hakkında üçüncü bölümde kapsamlı bilgi verilmiştir. Çekiş asansörü sistemine ilişkin analitik hesaplamalar dördüncü bölümde yapılmış olup, asansörün mekanik ve fiziksel özellikleri ile ilgili tasarımların yapılmasına başlanmıştır. Bu hesaplamalar, müşteri talepleri doğrultusunda, kabin hızı saniyede bir metre, maksimum yük 630 kg ve süspansiyon 2:1 olacak şekilde yapılmıştır. 2: 1 süspansiyonlu asansör sisteminde, asansör kapasitesi ve kabin net ağırlığı sırasıyla P [kg] ve N [kg] olarak tanımlanırsa, karşı ağırlık Q = N + (P / 2) [kg] olmalıdır. Sonuç olarak kabine bağlı kasnak üzerindeki maksimum ağırlık P / 2 [kg] olacaktır. Doğrusal hız, yük ve yerçekimi ile motorun çıkış gücü hesaplanabilir ve bu güç değeri tasarım ve hesaplamaların başlangıç noktasını oluşturur. Makara çapı, çelik halatların çapına bağlı olmakla beraber, açısal hız makaranın çapı doğrultusunda elde edilmektedir. Sonuç olarak; giriş gücü, açısal hız, frekans, moment, sargı, bakır miktarı, rotor ve statorun ana boyutu, dönüş sayısı, oluk boyutu, sarım diyagramı, oluk sayısı, sarım diyagramı, verimlilik ve moment dalgalılığı analitik olarak hesaplanabilir. Sarım diyagramı tam adım veya kesirli adım olabilir. Tam adımlı diyagramda, mıknatıs kutup adımı ve sargı kutup adımı eşittir ancak kesirli adım diyagramda mıknatıs kutup adımı sargı kutup adımından daha büyüktür. Mıknatıs kutup adımı ile sargı kutup adımının arasındaki oran ve indüklenen gerilim harmonikler açısından çok önemli bir etkendir ve bu harmonikler titreşime sebep olmaktadır. Dördüncü bölümde tasarlanan motor, 48 oluk, 16 kutuplu ve sarım diyagramı tam adımlıdır. Sekiz kişilik çekiş asansörü için piyasada birçok örneği olan dişli kullanılmayan motorlar bulunmaktadır. Beşinci bölümde, bu motorlara örnek olarak, AKAR PMSM, 4KW (tip: SMT 140 AC-15) deneysel olarak test edilecektir. Test ekipmanı olarak; kesirli ayarlanabilir fren, bir metre kol, ağırlık ve voltmetre kullanılmıştır. Kesirli fren AKAR PMSM ile birleştirilerek farklı yükler altında motor çalıştırılmıştır. Böylece motorun moment- akım eğrisi ve moment-verimlilik eğrisi elde edilmiştir. Test sonucu, AKAR PMSM 'nin ortalama verimliliği % 74.2 olarak bulunmuştur. Elektrikli makinelerin tasarımında, bilgisayar modelleri para ve zamandan tasarruf sağlamaktadır. Bu programlar sayesinde prototip üretme ihtiyacı ortadan kalkmaktadır. Tasarlanan cihazın tasarım ve modellemesinden sonra, sonuçları doğrulamak için prototip üretilmelidir. Bu tez doğrultusunda; birincisi, dördüncü bölümde tasarlanan PMSM, diğeri beşinci bölümde test edilen AKAR PMSM olmak üzere iki motor ele alınmıştır. Altıncı bölümde, bu motorların her ikisi de, ANSYS Maxwell 2D' de Sonlu Elemanlar Metodu (FEM) ile modellenmiştir. Test edilen motorun modellenmesi için; boyutlar, sarım diyagramı ve malzeme özellikleri gibi teknik verilere ve bilgilere erişmek amacıyla, motor demonte edilmiştir. Bu doğrultuda, 60 oluk, 16 kutup, kutup adımı 18 mekanik derece ve mıknatıs kutup adımı ise 23 mekanik derece sarım kesirli olduğu bilgileri elde edilmiştir. Bu veriler ANSYS Maxwell 2D yazılımına doğru şekilde aktarılıp, model, deneysel teste benzer şekilde analiz edilmiştir. FEM sonucu, AKAR PMSM' nin ortalama verimliliği % 75 olarak hesaplanmış ve deneysel test sonucuna çok yakın olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca, FEM sonucunda elde edilen moment-akım ve moment verimlilik grafiklerinin de deneysel teste benzerlik gösterdiği gözlenmiştir. Bu doğrultuda, bilgisayar modellemesinin tutarlılığına ve yeni tasarlanacak motorlar için kullanılabilir olduğuna kanaat getirilmiştir. Dördüncü bölümde tasarlanan motor, tam adım sargısıyla 48 oluk ve 16 kutup olarak tekrardan modellenmiştir. Sarım kutup adımı ve mıknatıs kutup adımı eşittir, bu sebeple harmoniklere ve mekanik titreşime neden olması durumu incelenmiştir. Yedinci bölümde AKAR PMSM aşağıda belirtilen amaçlar doğrultusunda tekrardan tasarlanmıştır; 1) Sarım sürecini azaltma, 2) PMSM' yi daha kompakt hale getirme, 3) Motorun uzunluğunu olabildiğince azaltma. Aynı kutup sayısı için oluk sayısı azaltılarak, sarım süresi azaltılacaktır. Ancak oluk sayısının belirlenmesi için bazı kanunlar vardır ve onlara bağlı kalınmalıdır. Bu sayede, 60 oluklu motor yeni 54 oluklu motor ile mukayese edilirse, sargı işlem süresi AKAR PMSM 'e göre % 40 azalmıştır. Yeni tasarlanan PMSM 'de mıknatıs kutbu 23 mekanik derece ve sargı kutbu 20 mekanik derece olarak belirlenmiştir. Teğetsel kuvvet, elektrik motorlarında momenti oluşturan etkendir. Ayrıca elektrik motorlarının hava boşluğundaki manyetik alan miktarı ile doğrudan ilişkisi vardır. Hava boşluğu uzunluğu azaltılarak ve daha güçlü mıknatıslar kullanılarak, PMSM 'nin hava boşluğundaki manyetik alan artırılacaktır. Böylece, sürekli moment miktarı için, motor daha kompakt olabilecektir. Analitik hesaplamalar, 54 oluk ve daha büyük manyetik alan elde etmek için tekrardan yapılmıştır. Bahsedilen yöntemler doğrultusunda, AKAR PMSM tekrardan tasarlanmış ve ANSYS Maxwell 2D 'de modellenmiştir. Bu yöntemle, AKAR PMSM' nin ağırlık ve hacmi sırasıyla % 25 ve % 5 oranında azaltılmıştır. Sekizinci bölümde, analitik olarak tasarlanmış, deneysel olarak test edilmiş motor (AKAR PMSM) ve yeniden tasarlanan motora ait sonuçlar karşılaştırılmıştır. Bu üç motora ait sonuçlar doğrultusunda, tam adım sarımının kullanışlı olmadığı, sebep olduğu harmoniklerin kaliteyi kötü etkilediği, verimli olmadığı ve motor milinde istenmeyen titreşimlere yol açtığı görülmüştür. Ayrıca, yeniden tasarlanan PMSM, test edilen AKAR PMSM ile karşılaştırıldığında aşağıdaki sonuçlar gözlemlenmiştir; 1) Motor ağırlığı AKAR PMSM 'e kıyasla % 25 azalmıştır, 2) Motorun toplam hacmi, AKAR PMSM 'e kıyasla % 5 azalmıştır, 3) Motor verim ve momenti, AKAR PMSM 'e kıyasla % 2.9 artmıştır, 4) Motor sarım süresi, AKAR PMSM 'e kıyasla % 10 civarında azalmıştır, 5) Motor uzunluğu AKAR PMSM 'e kıyasla % 20 azalmıştır. Sonuç olarak, hava boşluğundaki manyetik alan miktarının arttırılması ile motorun daha kompakt olduğu ve kesirli adım sargısı ile istenmeyen titreşmelere çözüm getirildiği analitik hesaplamalar, test sonuçları ve benzetim sonuçları doğrultusunda gözlemlenmiştir.

Özet (Çeviri)

This thesis is about low speed high torque permanent magnet synchronous motors (PMSM) which is used in elevator with commercial name of gearless (direct drive) motors. This motor is mounted in the elevator well, there is lack of adequate space for installation of the motor. The motor must lift a cabin with maximum load of 630 kg and speed of one meter per second in 2:1 suspension elevator system. In first chapter, introduction, general information is given about the thesis. Also, target and aims of this thesis is determined in purpose. And literature review present papers which are interesting in the Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM) and application of the in elevator industry. In chapter two, more detailed information is given about elevators and types of them. Among various kind of elevators, traction one is the type which is analyzed, then more information is given about this model. Some component of elevator system which is very important such as: driver, cabin, encoder and so on is introduced in section. In chapter three, more technical information is available about PMSM which is the main topic of this thesis. After giving some general definitions about electric machines, component of a PMSM is introduced. In chapter four, an analytical calculation is achieved with regard to the traction elevators system. Speed and the maximum load of cabin (speed = 1 meter per second and maximum load = 630kg) specify the power, torque and speed of PMSM; this technical information help engineers to calculate the main dimension of motor, copper winding sized and etc. In chapter five, an experimental test will be done on the motor which is available in the market. The technical information of this motor is as like as designed motor in chapter four. In chapter six, both designed motors given in chapter four and tested motor in chapter five are modeled in ANSYS Maxwell 2D software which is based on Finite Element Method (FEM). The methodology is validated by means the results of the experimental test and FEM simulations. In chapter seven, experimentally tested motor is redesigned and produced. The redesign aims were to increase the efficiency of motor and made it more compact, also made winding process simpler. After production of redesigned PMSM, it will be tested experimentally and analyzed under finite element method in ANSYS Maxwell 2D. In chapter eight, the results of analytically designed motor, experimentally tested motor and redesigned motor will be compared. Finally, in chapter nine, conclude the result of all activities in the thesis.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    495238

    Dişlisiz asansör sistemleri için ferrite tabanlı gömülü mıknatıslı senkron makine tasarımı

    Design of ferrite based interior permanent magnet synchronous motor for gearless elevator systems

    HİCRET YETİŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERKAN MEŞE

  2. Tez No

    807171

    Kayışlı asansör sistemleri için tümleşik mekanizmalı sabit mıknatıslı senkron motor tasarımı ve uygulaması

    Design and application of permanent magnet synchronous motor with integrated mechanism for belt lift systems

    YUSUF AVŞAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Mekatronik MühendisliğiTokat Gaziosmanpaşa Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET FENERCİOĞLU

  3. Tez No

    335285

    Yapay zekâ tekniklerini kullanarak yüksek verimli kalıcı mıknatıslı senkron motor tasarımı

    Design of highly efficient permanent magnet synchronous motor by using artificial intelligence techniques

    MÜMTAZ MUTLUER

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSelçuk Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. OSMAN BİLGİN

  4. Tez No

    621577

    Asansör tahrik sistemleri için dıştan rotorlu sürekli mıknatıslı bir senkron motor tasarımı

    Design of an external rotor permanent magnet synchronous motor for elevator traction systems

    MÜCAHİT SOYASLAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OSMAN ELDOĞAN

  5. Tez No

    864106

    Altitude dependent thermal model and analysis of an outrunner rotor permanent magnet synchronous motor for unmanned air-vehicle applications

    İnsansız hava aracı uygulamaları için dış rotorlu kalıcı mıknatıslı senkron motorun irtifaya bağlı termal modeli ve analizi

    YUNUS EMRE CİNAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ

Geri Dön