Investigation of hybrid permanent magnet rotor topology
Hibrit kalıcı mıknatıslı rotor topolojisinin incelenmesi
- Tez No: 510933
- Danışmanlar: DOÇ. DR. GÜVEN KÖMÜRGÖZ KIRIŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 137
Özet
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.
Özet (Çeviri)
With increasing concerns about environment, technology is evolving towards more efficient usage of materials. The key is to get better performance with less or the same amount of material. Electric motors are one of the most popular research topics in these concerns because it provides mechanical rotation with electrical excitation which is used in almost every single application in world. Moreover, electrical energy is mostly produced and consumed by electric machines and this makes efficient use of materials building up electric machines very critical. For some decades, with the usage of high performance permanent magnets and electrical steel, permanent magnet electric motors find place in applications where induction machines, electrically excited synchronous mahines and DC (brushed) machines mainly used. Especially with the increased usage of wind turbines and electric vehicles, popularity of permanent magnet machines (both DC and AC) has peaked and this lead to major broadening in the PM motor research field. Many different stator and rotor types are investigated, improved and proposed for obtaining better characteristics by detailed work and pushing the limits. In this thesis, a recently propesed hybrid permanent magnet strcture is investigated in order to determine the limits and capabilities. In the literature view part, history of electric machines are broadly mentioned and then detailed literature scan is made for hybrid motors where various motor topologies are represented. Later, theory of permanent magnet machines are studied which were then used in the design part. For the design part, two different stator structures are investigated: fractional slot and integer slot. A surface permanent magnet motor which is used as benchmark motor with fractional slot is analyzed following by the design of an internal permanent magnet (V-type) motor with the same size. After that aforementioned hybrid motor is designed and optimized. For the integer slot part, by using the analytical equations, a surface permanent magnet motor is designed. By using the geometric quantities of the motor an internal permanent magnet motor is designed and optimized by varying magnet shape and position. After the design of IPM motor is completed, by implementing SPM and IPM magnets into the same rotor initial hybrid motor is formed. By appyling wide range optimisation, final hybrid motor design is obtained. After the design phase is completed, integer slot motor is resized for prototyping. A prototype is built and tested in laboratory. Fine agreement between analysis and test results is obtained. Investigated hybrid rotor topology for fractional and integer slot stators are compared with their consequent benchmark surface and internal permanent magnet motors. It is obtained that by using hybrid rotor structure with integer slot stator, it is possible to obtain better performance characteristics in terms of total harmonic distortion and torque ripple.
Benzer Tezler
- Sincap kafesli asenkron makinenin rotor alan yönlendirmeli kontrolü
Rotor field-orientation control of a squirrel cage induction machine
SAFFET ALTAY
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. M. EMİN TACER
- IE4 verim sınıfı şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı senkron motor tasarımı
Design of IE4 efficiency level line start permanent magnet synchronous motor
BURCU DURAK GEDİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN
- Elektrikle tahrik edilen gemi modelinin geliştirilmesi
Development of the electric ship propulsion model
MEHMET ERDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN
- Koaksiyel manyetik dişlinin moment analizinin sonlu elemanlar yöntemi ile gerçekleştirilmesi
The torque analysis of coaxial magnetic gear with the finite element method
EMRE AKYERDEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET CANSIZ
- Üç çekirdekli YBCO süperiletkeni manyetik kuvvet parametrelerinin maglev sistemleri için karşılaştırmalı olarak incelenmesi
Comparative investigation of magnetic force parameters of three seeded YBCO superconductor for maglev systems
MEHMET KABAER
Doktora
Türkçe
2015
Fizik ve Fizik MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KEMAL ÖZTÜRK