Geri Dön

Cogging torque and performance optimization of an interior permanent magnet synchronous motor used in commercial washing machines

Ticari çamaşır makinelerinde kullanılan gömülü daimi mıknatıslı senkron motorların tutunma momenti ve performans en uygunlaştırması

PDF İndir

  1. Tez No: 676744
  2. Yazar: EGE ÜNLÜTEPE KESKİN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 127

Özet

Sabit mıknatıslı senkron motorlara (PMSM'ler) yönelik son zamanlarda dünya çapında ilgi; özellikle ev aletleri, elektrikli araçlar, robotik, endüstriyel tahrikler ve taşıt tahriki gibi çeşitli uygulama alanlarına yöneliktir. Doğru tork kontrol yöntemlerinin ve değişken hızlı motor sürücülerinin aktif olarak kullanılması, geleneksel üniversal motorlarla karşılaştırıldığında PMSM'lere olan talebi artırma olanağı sağlar. Ek olarak; PMSM'ler, verimlilik, güç yoğunluğu (güç / hacim oranı), kompakt yapı, dinamik performans ve düşük gürültü seviyesi sağlayan tork / kütle oranı açısından ev aletlerinde kullanılan diğer geleneksel motor tiplerinden daha iyi performans gösterir. Tüm dünyada en yaygın olarak kullanıla ev aletlerinden biri çamaşır makinesidir. Çamaşır makinesi performans iyileştirmesi göz önünde bulundurulduğunda, çamaşır makinelerinde bulunan standart özellikler; maksimum verim, mevcut tork dalgalanmasını azaltma ve müşteri memnuniyeti için gürültü seviyesini azaltma amacıyla daha da geliştirilmektedir. Son zamanlarda, çamaşır makinesi uygulamasında kullanılan motorla ilgili araştırmalar, aynı çıktıyı daha küçük hacimde sağlamaya ve aynı zamanda kullanılan malzemelerin maliyetini düşürmeye odaklanmaktadır. Bu tür gereksinimleri karşılamak için; düşük gürültülü çalışma seviyesi, uzun ömür ve daha fazla verimlilik nedeniyle geleneksel universal motorlar yerine PMSM'ler tercih edilir. Çamaşır makinesinin yüksek güç yoğunluğu gereksinimi ve maliyet kısıtlaması, spoke tip IPMSM motorların yaygın olarak kullanılmasını sağlamıştır. Çünkü bu motorlar, talep edilen güç yoğunluğu gereksinimini karşılamak için hava aralığının ve paket boyunun azaltılmasına ihtiyaç duyar, bu da gürültü sorununa neden olur. Sıkma devrinde, özellikle yüksek hızlarda, istenmeyen gürültünün kaynağı motordur. Harmonik moment bozulmalarının PMSM'ler üzerindeki etkilerinin en önemli bileşenleri, endüklenen gerilim harmonikleri, tutunma momenti ve moment dalgalılığıdır. Motor tasarımında yapılan geometrik iyileştirmeler ve motor kontrolünde kullanılan algoritmaların geliştirilmesi ile makine üzerindeki bozucu etkilerin azaldığı birçok araştırma ile kanıtlanmıştır. Optimum kutup adımı ve kutup-oluk oranı elde edilmesi, farklı mıknatıs tasarımı, oluk ağzı açıklığının azaltılması, rotor veya statora kaykı verilmesi ve oluksuz yapı, düşük tutunma momenti etkisi elde etmek için motor geometrik parametrelerinin optimizasyonuna ana katkılardır. Bu tezin amacı, ticari çamaşır makinesi uygulamalarında kullanılan mevcut bir dahili sabit mıknatıslı senkron motorun (IPMSM) bozucu etkilerinin azaltılarak motoru geliştirilmesi ve performansının iyileştirilmesidir. Güvenilir bir matematiksel model elde etmek için ticari makinede kullanılan gerçek motor sayısal olarak modellenmiş ve analiz edilmiştir. Güvenilir bir analiz yöntemi ve modeli elde edildikten sonra motor hem parametrik modelleme hem de çok amaçlı genetik algoritma ile optimize edilmiştir. Optimizasyon sonuçlarına göre ana motor tasarım parametreleri değiştirilerek, tutunma momenti ve moment dalgalanmasına dayalı bozucu etkiler azaltılmıştır. Çalışmanın uygulama aşamasında, hesaplanan sayısal tasarım prototip haline getirilmiştir. Optimize edilmiş tasarımın doğrulanması simülasyonlar ile kanıtlanmıştır. Motor kontrol tekniği ile performans optimizasyonu üzerine yapılan çalışmalar bu tez kapsamından çıkarılmıştır. Motorun çamaşır makinesinde kapladığı alan sabit tutulmuştur. İlk olarak; tipik bir yatay eksenli kayış kasnaklı çamaşır makinesi (H ekseni) için kullanılan gerçek bir örnek IPMSM'nin tasarım özellikleri ve tasarım verileri sunulmuştur. Karşılaştırma için kullanılacak motorun tasarım kriterleri, çamaşır makinesi uygulaması için gereksinimler ve kısıtlamalara göre değerlendirilmiştir. Bozucu etkiler, simülasyon ve deneysel sonuçlar sunulmuş ve mevcut IPMSM için tartışılmıştır. 12/8 oluk-kutup oranına sahip çamaşır makinesi uygulamasında kullanılan gerçek örnek PMSM, ANSYS 2D yazılımında tasarlanmıştır. Bozucu etkileri iyileştirilmesi amaçlanan çamaşır makinesi uygulamalarında kullanılan gerçek örnek motorun 2 boyutlu tasarım adımları, sonlu elemanlar yöntemine dayalı ANSYS yazılım programında sunulmuştur. Bu aşamadan sonra bozucu etkiler, geçici rejim analizi için sonlu eleman modellemesi ve diğer simülasyon sonuçları elde edilmiştir. Motor performansını tam olarak değerlendirmek için çamaşır makinesinin gereksinimleri göz önünde bulundurularak tasarlanan motor sonuçları, tutunma momenti, endüklenen gerilimve yükte olmak üzere farklı senaryolar altında değerlendirilmiştir. Bu bölümde verilen sonuçlar tasarlanan motorun performansının değerlendirilmesi ve yorumlanması açısından oldukça önemlidir. Sonlu elemanlar analizinden elde edilen sonuçlar ile gerçek örnek motorun gerçek performansı karşılaştırılarak iki boyutlu tasarımın doğrulanması amaçlanmıştır. Bozucu etkilerden elde edilen tüm uyumlu sonuçlar göz önüne alındığında, geçici durum analizi için sonlu eleman modellemesi ve tasarlanan motor doğrulamasının diğer simülasyon sonuçları kanıtlanmıştır. Tasarlanan model ile elde edilen simülasyon sonuçları, mevcut motor ile karşılaştırıldığında güvenilir bulunmuştur. Bu model üzerinden optimizasyon işlemine devam edilmiştir. Kurulan modelin güvenilirliği doğrulandıktan sonra model parametrik analiz modeline dönüştürülmüştür. Motor tasarımında yapılan geometrik iyileştirmeler ile makine üzerindeki bozucu etkilerin azaldığı birçok araştırma ile kanıtlanmıştır. Bu amaçla tasarlanan motorun rotoru tamamen parametrik olarak modellenmiştir. Parametrik analiz ve tasarım optimizasyonu, rotor kutup yüzü, mıknatıs açıklığı, mıknatıs kalınlığı, mıknatıs uzunluğu, hava aralığı ve rotor yarığı gibi çeşitli geometrik parametrelerin etkisi üzerinde, araştırılan spoke tip IPMSM'de gerçekleştirilmiştir. Parametrik analiz, çamaşır makinesinin IPMSM motor gereksinimleri göz ardı edilmeden, seçilen her bir geometrik değişken için makul tanım aralıklarıyla yapılandırılmıştır. Bir sonraki adımda, belirlenen rotor geometrik parametrelerinin tutunma momenti ve moment dalgalanması üzerindeki etkileri kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır. Parametrenin motor performansı üzerindeki etkisini tam olarak değerlendirmek için çamaşır makinesinin gereksinimleri dikkate alınarak, her bir parametre değişikliğinden elde edilen sonuçlar, tutunma momenti, endüklenen gerilim ve yükte olmak üzere farklı senaryolar altında değerlendirilmiştir. Parametrik model ile yapılan analizler dikkate alındığında, tutunma momenti değerini en çok etkileyen parametreler rotor kutup yüzü ve mıknatıs uzunluğu olmuştur. Elde edilen veri havuzunu genişletmek için ANSYS yazılımı ile entegre çok amaçlı genetik algoritma kullanılarak IPMSM'in tutunma momenti optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Parametrik modelleme ile elde edilen analiz sonuçlarının genetik algoritmanın temel yapı taşları olduğu açıktır. Parametrik analiz sonuçlarının değerlendirilmesi doğrultusunda, bozucu etki üzerinde en etkili parametreler seçilmiş ve her bir parametre için belirlenen aralıklar, çamaşır makinesi uygulama motor gereksinimleri ve kısıtlamaları dikkate alınarak yeniden oluşturulmuştur. Bu yaklaşımla, genetik algoritma optimizasyonu için hesaplama karmaşıklığı ve hesaplama süresi kısaltılmıştır. Genetik algoritma optimizasyonu için belirlenen maliyet fonksiyonunu sağlamak için veri setinden en düşük tutunma momentine sahip parametrik değerler seçilmiştir. Parametrik model üzerinde yapılan analiz sonuçlarından, tutunma momenti üzerinde hangi parametrenin etkili olduğu ile genetik algoritmada en düşük tutunma momenti değeri verilen sonuçlar birleştirilmiş ve elde edilen model sayısı en iyi iki tasarıma indirgenmiştir. Genetik algoritma ve parametrik optimizasyon sonucunda elde edilen en iyi iki model için bozucu etkiler ve simülasyon sonuçları karşılaştırılmıştır. Bu sonuçlara göre prototipi yapılacak motorun tasarımına karar verilmiştir. Rotor geometrik parametreleri, tutunma momenti ve moment dalgalanması açısından optimize edilen bu iki model kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Parametrenin motor performansı üzerindeki etkisini tam olarak değerlendirmek için çamaşır makinesinin gereksinimleri dikkate alınarak, genetik algoritma ve parametrik modellemeden elde edilen sonuçlar, tutunma momenti, endüklenen gerilimve yükte olmak üzere farklı senaryolar altında değerlendirilmiştir. Optimize edilmiş motorlar bu bölümden sonra“Tasarım 1”ve“Tasarım 2”olarak verilmiştir. Tasarım 1 ve Tasarım 2 arasında kapsamlı bir karşılaştırma yapıldığında; Tasarım 1 motor ve Tasarım 2 motorlarının mevcut motorun bozulma etkisini azaltmadaki etkisinin yüksek olduğu gözlenmiştir. Optimize edilmiş motorun prototiplenmesi amaçlandığından, simülasyon sonuçlarından uygun sonuçlar değerlendirilirken üretim yetenekleri göz önünde bulundurulmuştur. Prototipin üretilebilirlik yetenekleri göz önünde bulundurularak ortaya çıkan tasarım olarak Tasarım 1 adı verilen örnek seçilmiştir. Son bölümde, ortaya çıkan tasarımın prototipine yer verilmiştir. Önceki bölümlerde analiz edilen ve simüle edilen nihayi tasarım, gerçek bir çamaşır makinesi uygulaması için gerçeklenmiştir. Bu tasarımda rotor kutup yüzü parametresi oluşturulmuş ve mevcut motor tasarımına göre mıknatıs boyu kısaltılmıştır.

Özet (Çeviri)

Recent world-wide interest towards permanent magnet synchronous motors (PMSMs), especially impinge on various areas of applications such as home appliances, electric vehicles, robotics, industrial drives and vehicular propulsion. Utilizing accurate torque control capabilities and enabling variable speed motor drives yield a possibility to increase demand of PMSMs when compared to conventional universal motors. In addition; PMSMs outperform over other traditional motor types used in home appliances in terms of efficiency, power density (power to volume ratio), torque to mass ratio which enables compact structure, dynamic performance and low noise level. One of the most dominated household appliances all around the world is the washing machine. Considering the washing machine performance improvement, standard features available in the washing machines are still being further developed so as to gathering maximum efficiency, low energy consumption, decreasing existing torque ripple and reduction of noise level for customer satisfaction. Recently, researches related with the motor used for washing machine application are focused on to ensure the same output with smaller volume also decrease the cost of the used materials at the same time. In order to meet such requirements, instead of traditional universal motors PMSMs are preferable due to the reduced audible noise, long lifetime and more efficiency. The fact that the washing machine has a high power density requirement as well as a cost constraint is made the spoke type IPMSM motors widely used. Because, these motors need airgap reduction and stack length reduction in order to meet the demanded power density requirement is caused the noise problem. The source of the unwanted noise in the spinning cycle, especially at high speeds, is the motor. The most important components of the effects of harmonic torque distortions on the PMSMs are the back electromotive force (back EMF) harmonics, cogging torque and and torque ripple. It is proven with many researches that the disturbance effects on the machine are reduced by the geometric improvements on motor design and the development of the algorithms used in the motor control. Obtaining optimal pole pitch and pole ratio, different magnet design, reducing slot opening width, rotor or stator part skewing and slotless construction is the main contributers for motor geometrical parameters optimization to get low cogging torque effect. The aim of this thesis is to develop and to improve the performance of an existing interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) which is being used in commercial washing machine applications while the disturbante effects are reduced. The actual motor used in commercial machine was modeled and analyzed numerically in order to obtain a trustable mathematical model. After obtaining a reliable analysis method and model, the motor was optimized by means of both parametric modeling and multi-objective genetic algorithm. The disturbing effects based on cogging torque and torque ripple were decreased by changing major motor design parameter accoding to the optimization results. In the practical stage of the study the calculated numerical design was prototyped. Verification of the optimized design was proven with simulations and experiments. Studies on performance optimization with motor control technique were excluded from the scope of this thesis. The space occupied by the motor in the washing machine was kept constant. Firstly; the design specifications and design data of a real sample IPMSM used for a typical horizontal belted-motor driven washing machine (H axis) were presented. The design criteria for the motor to be used for comparison were evaluated in accordance with the requirements and constraints for the washing machine application. Disturbance effect, simulation and experimental results were presented and discussed for existing IPMSM. The real sample PMSM used in washing machine application with 12/8 slot-pole ratio was designed in ANSYS 2D software. 2D design steps of the real sample motor used in washing machine applications, which was aimed to improve cogging torque, were presented in ANSYS software program based on finite element method. After this step, disturbance effect, finite element modeling for transient analysis and other simulation results were obtained. Taking into consideration the requirements of the washing machine in order to fully evaluate the motor performance the designed motor results were evaluated under different scenarios including cogging torque, open circuit back EMF and on load. The results were given in this section should be very important in terms of evaluating and interpreting the performance of the designed motor. It was aimed to verify 2D design by comparing the results obtained from the finite element analysis with the actual performance of the real sample motor. Considering all compatible results from the disturbance effect, finite element modeling for transient analysis and the other simulation results of the designed motor validation was proved. The simulation results were obtained with the designed model was found to be reliable when compared with the existing motor. Optimization process was continued via this model. After confirming the reliability of the established model, the model was converted into a parametric analysis model. It was proven with many researches that the disturbance effects on the machine were reduced by the geometric improvements on motor design. For this purpose, the rotor of the designed motor was completely parametrically modeled. The parametric analysis and design optimization were performed on the influence of several geometrical parameters which were the rotor pole face, magnet opening, magnet thickness, magnet length, air gap and rotor slit the investigated spoke type IPMSM. The parametric analysis was configured with definition reasonable ranges for each selected geometrical variable without ignoring the IPMSM motor requirements of the washing machine. In next step, the effects of determined rotor geometrical parameters on cogging torque and torque ripple were investigated comprehensively. Taking into consideration the requirements of the washing machine in order to fully evaluate the infuence of the parameter on motor performance, results which were obtained from each paramater change were evaluated under different scenarios including cogging torque, open circuit back EMF and on load. Considering to the analyzes performed with the parametric model, the parameters most affecting the cogging torque value were rotor pole face and magnet length. In order to expand the data pool obtained cogging torque optimization of IPMSM was performed by using multi-objective genetic algorithm integrated with ANSYS software. It was obvious that the analysis results obtained by parametric modeling were the basic building blocks for the genetic algorithm. In line with the evaluation of the parametric analysis results, the most effective parameters were chosen on disturbance effect and determined ranges for each parameter were reconstructed considering the washing machine application motor requirements and restrictions. The computational complexity and calculation time for the genetic algorithm optimization was reduce with this approach. Parametric values with the lowest cogging torque were selected from the data set to provide the cost function determined for the genetic algorithm optimization. From the analysis results on the parametric model, the approach of which parameter was effective on the cogging torque and the results that was given the lowest cogging torque value in the genetic algorithm were combined and the number of models obtained was reduced to the best two design. Disturbance effect and simulation results were compared for the two best models obtained as a result of genetic algorithm and parametric optimization. According to these results, the design of the motor to be prototyped was decided. These two model which were optimized in terms of rotor geometrical parameters cogging torque and torque ripple were investigated comprehensively. Taking into consideration the requirements of the washing machine in order to fully evaluate the infuence of the parameter on motor performance, results which were obtained from genetic algorithm and parametric modeling were evaluated under different scenarios including cogging torque, open circuit back EMF and on load. The optimized motors was given as“Design 1”and“Design 2”after this part. If a comprehensive comparison was made between Design 1 and Design 2, it was observed that the Design 1 motor and Design 2 motor effect on reducing existing motor disturbance effect was highly. Since the prototyping of optimized motor was aimed when evaluating the appropriate results from the simulation results was taken into account the production capabilities. Considering the producibility capabilities of the prototype, the sample called Design 1 was chosen as resultant design. In the final section, the prototyping of the resultant design was established. The resultant design that had been analyzed and simulated in the previous chapters were constructed in a real washing machine application. In this design, the rotor pole face parameter has been created and the magnet length has been reduced when compared to the existing motor design.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    816976

    Elektrikli bisikletler için gömülü mıknatıslı senkron motorun tasarımı ve dinamik simülasyonu

    Design and dynamic simulation of interior permanent magnet synchronous motor for electric bicycles

    SELMAN GARİP

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBursa Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET FENERCİOĞLU

  2. Tez No

    371532

    Fırçasız doğru akım motorlarında moment titreşimlerinin azaltılması

    Reducing torque ripples in brushless direct current motors

    YASEMİN DÖNMEZER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Hesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. LALE ERGENE

  3. Tez No

    484535

    Küçük ölçekli rüzgâr ve nehir santralleri için 4 KW gücünde kalıcı mıknatıslı senkron generatör tasarımı ve gerçekleştirilmesi

    Design and realization of 4 KW permanent magnet synchronous generator for small scale wind and river power plants

    YÜCEL ÇETİNCEVİZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKarabük Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. HÜSEYİN DEMİREL

    DR. DURMUŞ UYGUN

  4. Tez No

    342537

    1,5kw lık dengesiz sargı yapılı sürekli mıknatıslı bir AC servomotor tasarımı, üretimi ve gerçeklenmesi

    Design, manufacturing and verification of a 1,5kw permanent magnet AC servomotor with unbalanced winding structure

    YÜCEL DEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Mekatronik MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. METİN AYDIN

  5. Tez No

    888130

    Hafif elektrikli araç uygulamaları için gömülü mıknatıslı senkron motorun tasarım ve optimizasyonu

    Design and optimization of permanent magnet synchronous motor for light electric vehicle applications

    KEVSER ÖZER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT YILMAZ

Geri Dön