Daimi mıknatıslı senkron bir motorun termal analizi ve soğutma sistemi tasarımı
Thermal analysis and cooling system design of a permanent magnet synchronous motor
- Tez No: 980873
- Danışmanlar: PROF. DR. KADRİ SÜLEYMAN YİĞİT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Kocaeli Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Elektrik motorlarının otomobiller, savunma sanayi (İHA, SİHA, torpido vb.) gibi kullanım alanları genişledikçe bu motorlardan daha fazla tork eldesi ve daha verimli çalışması ile ilgili araştırmalar gittikçe yaygınlaşmaktadır. Bir elektrik motorunun ürettiği tork, çektiği akımı ile doğrudan ilişkilidir. Üzerinden geçen akımın karşılaştığı dirence bağlı olarak etrafına ısı yayan bakır teller stator etrafına sarılarak sargı yapısını oluşturur. Elektrik motoru sargılarından yüksek akım geçtikçe motor o oranda ısınmakta, sıcaklık değerleri belirli sınırın üzerine çıktığında bakır tel üzerindeki izolasyon malzemesi kavrularak bakır tellerin kısa devre yapmasına, motorun yanmasına neden olmaktadır. Son yıllarda elektrik motoru tasarımcıları ve araştırmacılar özelikle termal analiz programları yardımıyla elektrik motorlarının termal analizleri ile ilgili çalışmalara ağırlık vermişlerdir. Bu termal analizlerde en önemli ve en karmaşık olay elektrik motor bileşeni olan bakır sargılardır. Birçok bakır telin stator etrafına sarılarak oluşturulan sargıda termal analizlerin yapılabilmesi için bu karmaşık yapının ısı iletim katsayısının bilinmesi gerekmektedir. Eksenel doğrultuda teorik olarak hesaplanabilen ısı iletim katsayısı, radyal ve teğetsel doğrultuda hesaplanamamakta, çeşitli yaklaşımlar ile belirlenebilmektedir. Bu tez kapsamında stator oluk içine yerleştirilen ısı akısı sensörleri ve sıcaklık ölçerler yardımıyla radyal ve teğetsel doğrultuda ısı iletim katsayıları deneysel olarak belirlenmiştir. Deneylerde kullanılan elektrik motoru önce rotorsuz farklı güçlerde testlere tabi tutulmuş, böylece valf gibi doğrusal hareket sağlayan sabit sistemlerde kullanılan selenoid model için ısı iletim katsayısı belirlenmiştir. Aynı motor içine rotor yerleştirilerek önce sargı arasına epoksi dökülmeden bakır-hava sargı modeli oluşturulmuş; rotor sabit, 1450 d/d ve 2900 d/d döner durumlar için ısı iletim katsayıları deneysel belirlenmiştir. Bu deneyler tamamlandıktan sonra sargı arasına epoksi dökülerek bakır-epoksi sargı modeli oluşturulmuş; rotor sabit, 1450 d/d ve 2900 d/d döner durumlar için ısı iletim katsayıları deneysel belirlenmiştir. Deneylerle ve teorik hesaplamalar ile belirlenen ısı iletim katsayıları HAD analizinde girdi olarak kullanılmış, her iki sargı modeli için elde edilen deneysel sonuçlar ile HAD analizinden elde edilen sonuçlar karşılaştırılmış ve doğrulanmıştır. Farklı güçlerde yapılan deneyler ve HAD analizleri arasında eksenel doğrultuda motor merkezindeki sargı ortası sıcaklığı bakır-hava sargı modeli için %5,4-10 bakır-epoksi sargı modeli için %2,2-7 hata ile belirlenmiştir. Piyasada mevcut doğal veya zorlanmış hava soğutmalı olan elektrik motorlarının daha yüksek akım ve daha düşük sıcaklıklarda çalıştırılabilmesi ile aşırı yükleme anlarında sargılardan daha fazla ısı çekilebilmesi için üzerinde çalışılan mevcut elektrik motoru su soğutmalı hale dönüştürülmüş, farklı su ceketi tasarımları HAD analizleri ile değerlendirilerek en uygun su ceketi tasarımı belirlenmiştir. Teorik ve deneysel yapılan su soğutmalı çalışmalardan elde edilen sonuçlar tez sonunda sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
As the usage areas of electric motors expand, including automobiles and the defense industry (UAVs, UCAVs, torpedoes, etc.), research on achieving higher torque and improving efficiency in these motors has become increasingly widespread. The torque produced by an electric motor is directly related to the current it draws. Copper wires, which emit heat due to the resistance they encounter as current flows through them, are wound around the stator to form the winding structure. As higher currents pass through the windings of an electric motor, the motor heats up accordingly. When the temperature exceeds a certain limit, the insulation material on the copper wire burns, leading to short circuits in the copper wires and ultimately causing motor failure. In recent years, electric motor designers and researchers have increasingly focused on thermal analysis studies of electric motors, particularly with the aid of thermal analysis software. The most critical and complex component in these thermal analyses is the copper windings. To conduct thermal analyses on windings, which consist of numerous copper wires wound around the stator, it is necessary to determine their thermal conductivity. While the thermal conductivity in the axial direction can be theoretically calculated, it cannot be directly determined in the radial and tangential directions and must be estimated through various approaches. In this thesis, the thermal conductivity coefficients in the radial and tangential directions were experimentally determined using heat flux sensors and temperature sensors placed inside the stator slots. The electric motor used in the experiments was initially tested without a rotor at different power levels to determine the thermal conductivity coefficient for a solenoid model, which is used in fixed systems providing linear motion, such as valves. Subsequently, the rotor was placed inside the motor, and a copper-air winding model was created without pouring epoxy between the windings. The thermal conductivity coefficients were experimentally determined for the rotor in stationary, 1450 rpm, and 2900 rpm conditions. After completing these experiments, epoxy was poured between the windings to create a copper-epoxy winding model, and the thermal conductivity coefficients were again experimentally determined for the rotor in stationary, 1450 rpm, and 2900 rpm conditions. The experimentally determined thermal conductivity coefficients, along with theoretical calculations, were used as input for CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis. The experimental results obtained for both winding models were compared with the CFD analysis results and validated. In tests conducted at different power levels and CFD analyses, the temperature at the center of the winding in the axial direction was determined with an error margin of 5.4%-10% for the copper-air winding model and 2.2%-7% for the copper-epoxy winding model. To enable existing electric motors with natural or forced air cooling to operate at higher currents and lower temperatures and to enhance heat dissipation from the windings during overload conditions, the studied electric motor was converted into a water-cooled system. Different water jacket designs were evaluated using CFD analyses to determine the most suitable design. The results obtained from both theoretical and experimental studies on water-cooled systems are presented at the end of the thesis.
Benzer Tezler
- Thermal analysis of permanent magnet synchronous motor
Sabit mıknatıslı senkron motorun termal analizi
MERT BEDİRHAN GENÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GAMZE GEDİZ İLİŞ
- Elektrikli araç uygulamaları için yüksek güçlü inverterlerde kontrol yöntemlerinin incelenmesi
Investigation of control methods in high power inverters for electric vehicle applications
ÖNDER KARASOY
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDEM AKBOY
- Daimi mıknatıslı senkron motorun modellenmesi ve modern denetim yöntemleri ile hız analizi
Modelling of permanent magnet synchronous motor and speed analysis with modern control methods
ABDULHAKİM KARAKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiElektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ERCÜMENT KARAKAŞ
- Daimi mıknatıslı senkron motorun rotor alan yönlendirmeli kontrolü ve pasif filtre ile harmoniklerin azaltılması
Rotor field oriented control (FOC) of permanent magnetic synchronous motors (MSM) to decrease the harmonics by using passive filters
İSMAİL ERCAN BUZCU
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. KAYHAN GÜLEZ
- Daimi mıknatıslı senkron makinalarının kontrolü ve bir uygulama devresinin gerçekleştirilmesi
Control of permanent magnetic synchronous machines and performing an application circuit
NAZİF HAKAN YENİAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA HADİ SARUL