Modelling, analysis and experimental validation of vibration of electric motors
Elektrik motorlarının titreşimlerinin modellenmesi, analizi ve deneysel olarak doğrulanması
- Tez No: 532269
- Danışmanlar: PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Dinamiği, Titreşimi ve Akustiği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 135
Özet
Elektrik motorları, günümüzde bir çok makineye ve işleme mekanik güç sağlayan önemli bileşenlerdir. Endüstriyel uygulamalarda elektrik motorlarının kullanıldığı alanlar, beyaz eşyaların sürülmesi, pompa, kompresör, fan gibi makinelere güç sağlanması, otomobillerde ve uçaklarda ana motorlara başlangıç enerjisinin sağlanması gibi uygulamalarda kullanılmakla beraber; günümüzde elektrik motorları, elektrikli otomobil ve uçakların geliştirilmeye başlamasıyla bu araçlarda ana motor olarak yer almak konusunda hızlıca ilerlemektedirler. Elektrik motorlarının burada bahsedildiği gibi bir çok farklı endüstriyel uygulamada kullanılıyor olması, uygulamaya özel elektrik motoru tasarımlarının geliştirilmesi ihtiyacını doğurmuş ve bunun sonucu olarak da bir çok farklı tipte elektrik motoru ortaya çıkmıştır. Elektrik motorlarının performansı ve verimliliği, bu motorların güç sağladıkları makine ve sistemlerin performans ve verimliliğini direkt olarak etkiler. Bu sebeple, elektrik motorlarının tasarımlarının iyileştirilmesi, motorun titreşim ve akustik olarak performansının artırılması maksadıyla mühendislerin önemli amaçlarındandır. Elektrik motorlarının güç sağlamak için kullanıldığı sistem ve proseslerin verimlerinin artırılması maksadıyla elektrik motorlarının tasarımlarının iyileştirilmesinde iki ana yol mevcuttur. Bunlar, geleneksel yol ve modern yol olarak isimlendirilebilir. Geleneksel yolda, motor tasarımı güncellendikten sonra yeni tasarıma sahip bir prototip üretilir, sonrasında ise bu prototip, çeşitli test ve ölçüm senaryolarından geçirilerek, beklenen yükleme durumu altında yeni tasarıma sahip motorun performansı ve verimi incelenir. Protipin testlerde başarısız olması durumunda tasarım tekrar güncellenir ve testler tekrarlanır. Tekrarlanan bu prototipleme ve test uygulamaları pahalı ve çok zaman alan işlemlerdir. Modern yolda ise, tasarım iyileştirme iterasyonlarını ve ayrıca test ve prototip maliyetlerini azaltmak için sayısal modeller ve simülasyonlar etkin olarak kullanılmaktadır. Modern yolda, elektrik motorunun tasarımı güncellendikten sonra, yeni tasarıma ait bir prototip üretmek yerine, yeni tasarımın detaylarını ve bilgilerini içeren bilgisayar simülasyonu modelleri kurulur. Sonrasında ise prototip üzerinde test ve ölçüm yapmak yerine, yapılacak testler, bahsedilen bu bilgisayar modeli üzerinde, bilgisayar simülasyonu ortamında gerçekleştirilir ve elde edilen simülasyon sonuçları incelenir. Sonuçların başarısız olması durumunda elektrik motoru tasarımı güncellenir ve tekrar prototipleme yerine, önceki bilgisayar simülasyon modelindeki tasarım güncellenerek, test simülasyonları bu güncellenmiş model üzerinde tekrarlanır. Böylece, zaman alan ve pahalı olan prototip ve test iterasyonları azaltılmış olur. Dolayısıyla, elektrik motorlarının gerçek davranışlarını tatmin edici bir isabetle modelleyebilen sonlu eleman simülasyonu ve çoklu cisim dinamiği simülasyonu yöntemlerine endüstride sıklıkla ihtiyaç duyulmaktadır. Bu tezin amacı, elektrik motorlarının sayısal olarak modellenmesi üzerine derinlemesine bir yöntemin geliştirilmesi ve ortaya çıkan modelin doğruluğunun deneysel verilerle kıyaslanarak gösterilmesidir. Tezde geliştirilen modelleme yöntemleri ve deneysel doğrulama işlemleri için numune olarak, Arçelik A.Ş. tarafından üretilmekte olan bir fırçasız DC motor olan Atlas motor seçilmiştir. İlk olarak, Atlas motorun bileşenleri, ön kapak, arka kapak, stator, rulmanlar, rotor ve volan olarak ayrı ayrı belirlenmiştir. Elektrik motorunun çamaşır makinası içinde çalışması sırasında maruz kaldığı tambur yükünü temsil etmesi amacıyla volan kullanılmıştır. Daha sonra, belirlenen bu bileşenler ayrı ayrı frekans cevap fonksiyonu ölçümünden geçirilerek, daha sonra model doğrulama işlemlerinde kullanılmak üzere bu bileşenlerin 0 – 3200 Hz aralığındaki doğal frekansları belirlenmiştir. Son olarak, 1000 – 10000 RPM aralığında numunelerin Campbell diyagramları ölçülmüş ve elde edilen deneysel veriler daha sonra Atlas motorun çoklu cisim dinamiği modelinin doğrulanması için kullanılmıştır. Gerekli test ve ölçümlerin tamamlanmasından sonra, Atlas motorun daha önce bahsedilen bileşenleri için ayrı ayrı sonlu eleman modelleri oluşturulmuş ve bileşenler üzerinde sayısal modal analizler gerçekleştirilerek, ilgilenilen frekans aralığında bu bileşenlerin doğal frekansları ve mod şekilleri hesaplanmış; sonrasında ise deneysel veriler ile doğrulanmıştır. İlgilenilen frekans aralığında doğal frekansı bulunmayan bileşenler rijit olarak modellenmiştir. İlgilenilen frekans aralığında doğal frekansı bulunan bileşenler içinse esnek cisim modelleri oluşturulmuştur. Oluşturulan esnek cisim ve rijit cisim modelleri, MSC Adams programı içerisinde uygun kinematik ilişkiler kullanılarak birleştirilmiş ve Atlas motorun çoklu cisim dinamiği modeli oluşturulmuştur. Rulman bileşenlerinden olan iç ve dış bilezik ve bilyaların rijit olarak modellenmesine ragmen, bu bileşenler arasında gerçekleşen doğrusal olmayan elastic temasları modellemek için Hertz temas teorisine dayanan bir temas modeli kullanılmıştır. Hem dinamik denge hali, hem de Campbell diyagramı simülasyonları gerçekleştirilmiş ve elde edilen sayısal sonuçlar, deneysel sonuçlarla kıyaslanarak doğrulanmıştır. Ön ve arka kapaklar ile stator arasındaki karmaşık temas durumu, bu bileşenlerin temas eden yüzeylerinden mükemmel olarak birleştirildiği (veya kaynaklandığı) varsayılarak basitleştirilerek modellenmiştir. Sonuçlarda, bu basitleştirilmiş yaklaşımın modellemede kullanılmasıyla, ön ve arka kapaklarla birlikte statordan oluşan montaj grubunun doğal frekanslarının yüzde beşten daha düşük bir hatayla ifade edilebildiği gösterilmiştir. Bu tez çalışmasında elde edilen önemli bir diğer bulgu ise, motordaki rulmanları modellemek üzere basit mafsalların veya bushing adı verilen doğrusal elastik elemanların kullanılmasının, bahsedilen bu elemanların, rulman bileşenleri arasındaki temaslardan dolayı meydana gelen doğrusal olmayan (nonlinear) etkileri ihmal etmesi sebebiyle motorun titreşimi ve dinamiği hakkında yeterli doğrulukta sonuçlar üretemeyeceği olmuştur. Ayrıca, rulman bileşenleri arasındaki temasları, Hertz temas teorisi üzerine kurulu bir temas modeliyle ifade eden detaylı bir rulman modelinin bahsedilen bu doğrusal olmayan etkileri ifade etmekte tatmin edici sonuçlar ürettiği gösterilmiştir. Son olarak, şaft dönme frekansının ve harmoniklerinin çevresinde görülen yan bantların frekanslarının, rulmanda meydana gelen temas açısı ve rulman boşluğundan kuvvetli bir şekilde etkilendiği görülmüştür. Birinde temas açısı ve rulman boşluğu etkilerini içeren bir rulman modeli bulunan, diğerinde ise bu etkileri ihmal eden bir rulman modeli bulunan iki farklı motor modelinden alınan sayısal sonuçlar karşılaştırılmış ve ilk modelden alınan verilerin, yan bantları yüzde dörtten daha düşük bir hata ile tahmin edebildiği gösterilmiştir. Sonuç olarak, bu tezde ortaya konulan motor modelinin, sadece motor doğal frekanslarını değil, ayrıca elektrik motorunun zorlanmış titreşim karakteristiklerini de şaft dönme hızının bir fonksiyonu olarak tatmin edici bir isabetle tahmin edebildiği gösterilmiştir. Bunun yanında, yine bu tez çalışmasında, elektrik motorlarının bahsedilen doğal frekans ve zorlanmış titreşimlerinin karakteristiklerini sadece tek bir şaft dönme hızında değil, şaft dönme hızının çeşitli değerler aldığı geniş bir aralıkta, bu aralıktaki tüm şaft dönme hızı değerleri için tatmin edici bir isabetle tahmin edebildiği, deneysel verilerle birebir kıyaslama yapılarak gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Electric motors are fundamental components of many machines and processes which provide mechanical power to the systems they are coupled to. Consequently, the performance and efficiency of these motors directly affect the performance and efficiency of the machines or processes they power. Therefore, it is always in engineers' best interest to improve the designs of electric motors in order to obtain higher efficiency, higher reliability as well as better performance from vibration and acoustics points of view. In most design processes in industrial applications, numerical simulations are extensively utilised to minimise the number of design iterations and to reduce testing and prototyping costs. Finite element and multibody dynamic simulations are often used in these simulations and methodologies to build numerical models of electric motors which represent the real behaviour of these motors with acceptable accuracy are widely sought after in industry. The aim of this thesis is to develop a comprehensive methodology to build robust numerical models of electric motors and demonstrate the validity of the models using experimental data. The Atlas motor, which is a small brushless DC motor manufactured by Arcelik A.S. to power Arcelik brand washing machines, is selected as a specimen to demonstrate the modelling and validation procedure proposed and used in this thesis. Firstly, the individual components of the Atlas motor are identified as the front and back covers, the stator, the bearings, the rotor and the flywheel. The flywheel is used here to simulate the loading the Atlas motor is subjected to during its operation in a washing machine. Then, each component is subjected to frequency response function measurements and their natural frequencies in the frequency range of interest (0 – 3200 Hz) are determined experimentally for model validation purposes. Finally, the Campbell Diagrams of the specimens are obtained using measured data between 1000 RPM – 10000 RPM range and this data is used later for the validation of the multibody dynamic models of the Atlas motor for the same frequency range of interest. After the required tests and measurements are completed, finite element models are developed for individual components and their natural frequencies and corresponding mode shapes are calculated by means of modal analyses within the frequency range of interest. The results are compared with the test results and the models are then validated. The components which do not have elastic modes within the frequency range of interest are modelled as rigid bodies. Subsequently, flexible body models of the parts are created based on their finite element models. The generated flexible and rigid body models are then assembled using multibody dynamics simulation software, MSC Adams, by means of appropriate kinematic constraints between the parts. Although the rings and the balls of the ball bearing are modelled as rigid bodies, the nonlinear elastic contacts between the ball bearing elements (the rings and the rolling elements) are included in the model using Hertzian contact approach. Both steady-state and Campbell Diagram simulations are conducted and the numerical results are compared with the experimental results for model validation purposes. In this thesis, the complex contact mechanism between the front and back covers of the motor and the stator is simplified by assuming that these parts are perfectly joined (welded) together at the matching surfaces in the modelling stage. It is shown that this modelling approach yields results with less than 5 percent error in terms of natural frequencies of the assembly of the front cover, the back cover and the stator. Another important finding of this thesis is that, the use of primitive joints or bushings to model the ball bearings does not produce satisfactory results as the nonlinear behaviour of the ball bearings due to the contacts between their elements are neglected in this approach. It is further shown that the detailed bearing model developed in this thesis, which is based on the Hertzian contact theory, is able to produce results with satisfactory accuracy in terms of the nonlinear effects. Finally, it is discovered that the frequencies of the sidebands around the shaft rotation frequency and its harmonics are strongly affected by the contact angle and bearing clearance. A comparison between the results obtained from two different motor models, one with a bearing model that includes the effects of contact angle and bearing clearance and one that does not, revealed that the sidebands are predicted with less than 4 percent error in the former model. It is concluded that the proposed model can be used to predict not only the natural frequencies, but also the forced response characteristics of electric motors as a function of rotational speed with acceptable accuracy.
Benzer Tezler
- Makinalarda sıvı halkalı dengeleme sistemleri: Modelleme ve analiz
Liquid ring balancing systems in rotating machinery: Modelling and analysis
SERGÜL ŞANVERDİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK
- Theoretical and experimental vibration analysis of steering wheel of a heavy commecial vehicle
Bir ağır ticari vasitada direksiyon titreşiminin teorik ve deneysel i̇ncelemesi
BEGÜM DEREBAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ADİL YÜCEL
- Investigation of acoustic and dynamic properties of weatherstrips used in vehicle doors
Havacılık ve otomotiv sektöründe kullanılan kapı sızdırmazlık elemanlarının akustik ve dinamik özelliklerinin incelenmesi
ORÇUN SAF
Doktora
İngilizce
2022
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK EROL
- Viskoelastik mazlemelerin karekterizasyonu ve viskoelastik malzemeli yapıların modellenmesi
Characterization of viscoelastic materials and modelling structrues include viscoelastic material
MEHMET SAİT ÖZER
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK
- Gemi pervanelerinde kavitasyon ve kavitasyon erozyonu modellemesi
Cavitation and cavitation erosion modeling on marine propellers
ONUR USTA
Doktora
Türkçe
2018
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİN KORKUT