Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motorların Doğrudan Sürüşlü Beyaz Eşya Uygulamalarında Kullanımı

Aydın M., Ocak O., Çırpanlı Albaş G., Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motorların Doğrudan Sürüşlü Beyaz Eşya Uygulamalarında Kullanımı, EMO Bilimsel Dergi, Cilt 2, Sayı 3, Syf 7-11, Haziran 2012

Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motorların Dorudan Sürülü

PPeerrKKmmaaaallıınncceeıı nnMMttBBBııMMkkeeennyyyaaaaaaaggttzzzHnnıısseeEEEollttıımSSyyySSeaaayyeennnnAUUUcckkpyyyhhrrpgggrrooluuuoonninnalllaaaMMnoommmuucooessaaattlllooAMMaaarrrrrpllooıııaapnnnttrrloodddiıırrcnnaaassaDDKKKtUUiooouuussneellllllrrddsaaauunnniiddnnıııaammmDDnnıııiiSSrreeüüccrrttüü--DDllrrüüiivvee PermanMeenttinMAYaDgIHHnNeoo1t,2mm,SOeeynAAuczpphhpparllnoiinaaOnnoCuccAeesKAAM2,ppGopptülloniirccsusaattÇUiiooısrnnpeadssnilınADLBirAec3t-Drive

Metin Metin

AAYYDDKKIIooNNcc11aa111,,ee22MMM,,lliiOOeeeÜÜkkkMaaannuutttiiezzrrrvvtooohhineennnaa.rraiiinnssykkkiidttOOieeMMMnss@CCiiüüü,,AAkhhhoUUKKeeecammnnn22e,,dddluuiGG.iiiettsssdttüüllleeuiiinn.pptrssiiieeuu,,BBBKKÇÇööölllooıı...rrccppaaaaeennlliillıı

ALBA3 ALBA3

K2 oAcra-eGlieÜBMnöielvt.i,ne.MrasyidDtienSs@iM,koUcoamteoluir.etdTteua.ptsrea,rıKmocLatedl.i

2 2

AAKKrrOO--GGUUeeTTBBeeMöökkoegllnnt..uioo,,nz.pphMMaaaayndDDrr@ikknSS,,m@BBdMMksoaamcoooaiittetssooolkkirrr..eeecdTTollueemaa.,,tssraaKKrrooıımmccaaLLeellttiidd..

KOU Tekogn3uoAzphraa-nGr@ke,mBMdsameoritksoker.zecoilem, Kocaeli

AARRÇÇEEogLLug33[email protected]eems..@,,MMdsaTTmreecuuorrezztkkloillkeeraa..zzcc,,ooiimmssttaannbbuull

Özet

ARÇEgLunKsu.Aalb.as.@, aTrcuyezolilkau.cn,olumsktlaarnınbınulve moment/aırlık oranlarının fazla olması [email protected] tercih edilmeye balanmılardır [1-3]. Özellikle

Bu çalımada dorudan süÖrüze(tDS) beyaz eya uygulaması

Bigçeuirnççeakkllıaelmıtciarı dilamveidytoair.ruFsüdararenkkllısioüÖlrumükzıkesn(atDaytSııss)ıl-ıbkueytbuaiprz

motor tasarımı seayyıası usyegçeunlaemklaesrıi

Binçuicneçleaknlıamlmıica,ı duavyegdyuoanrkusoüdmraebnkilnsiaüsrmyüoınkn(DbaetSıls)ilrıbleenybmairzi,emvyoeartoilureyngtutaalsasamarrıamımsı

kgiçreiirntçeerklkelareilıtcidrı iolmvreiuytlaitru.suFsünardreakkllıimoloumtkoıkrsnaaeytlııessıkl-tıkruotbmuiaprnsyameytoıisktoı, rsteeçrteamnsaeaklrlıemvreıi

yignaecpreçılseeaknlmeiti,rainlumaylgiizutlinerr. ikFoamrbgklieınraoçesluykoklensatibyreıisleiır-rkleeukntumpims, aovyteıosrrıilseençteatansesaakrlrıemımrıi ksinorcinteellarenlnedmrıiriıld,mouıyrgvuueltnmusokuotnomdrbapirnomatsoytoipnr abeealelmikrtalresonımnmaaing,yeetviterikrili,mletinetritmra.asal rıvme ykaripteısralelri daonarliuzllteursiundgaermçeoktolertierlielekrtreokmanmyoetiokr, tertamsaalrımveı

Aysoannpalıahsantaldrırılkamenılaimlvizeelelmerrio:torDgpeorroçrteouktdlieapnatiraiSlmeürraeüskın, a KgmeaotlitırociırlmiMtıiakrsn.aartımslı

Msoontloarn,dPırMılmMıotvoerm, SootonrlupEroletomtiapnlaaramAnaasılnizai getirilmitir.

MAAnnoaatohhrtt,aaPrr MkkMeelloiimmtoeerll,eeSrro:: nlDDu ooEAlrrebuumsddataarnnnalacrSStAüünrrüüali,,zi

Kalıcı Kalıcı

Mıknatıslı Mıknatıslı

ySaenUkyrgounlaMmoatloMvdTTaaihhrroriiretisslocoıatpprun-,aarsdPppdrısieeMnlvarroetMttaaDKhalloonkktomssdoureaap,lbbloSraooalopuuuenpnttldnluaaiıuaamEAAmppnlceenbebbrreıemmmssrSaattaarrpcnnnüopaaleeamlccnnrircttbttüAaimmntniaaoalggtnliüinnosz.eeni ttsWmmaiootrhettooinrrinddtvheeessitiggisgnntautdffeooydrr,

Tadinhrdiescatpp-adpprrieovrpertaihaloktems ceaobmaopubptinlaiaatpniocerenmiasapnfpoelunicntadmt.iaoMgnnos.etotWrmeiotlhetoicntrrodthmeesaigsntuedftoiycr,

Synchronous dvMaierrseiogcotnu-t,sdortshirlveoesrtmhaUaonlmdsaeenpdodalpseptirnlnuiuacmntDucbreeairlarapceonpcmalilctbya-isnteDiasotnairosri.nevsWaealiltrhecionimntvphelesetiesgdtautdfeoydr,

me

Appliance

Applications agvanivrdeionaupdsperssoliogptnriasntpedecpoifomilcebaitnioauntmisobnaernisdcfoothmuenbdimn. aoMtioortnosprraeorlteoctytirnpovemeswatigognraketteidcs dastneasdritgaendp,.ptrhoeprrmiaatleacnodmsbtirnuacttiuornalisafnoaulnydse. sMaorteoralelleccotmropmleategdneftoicr

dgievseignnd, ethsiegrnmaspl eacnidficsatrtiuocntsuraanl danthaelysmeostaoreparloltocotymppelewteodrkfoirs

Ouzhan OCAKKgs2tiae,vyreGtwneodüdr.nedsssi:gunDÇsipırercpitfa-iDcnarlitıvioeAn, sLPaBenrAdmtah3neenmtotMoragpnroetotMypoetowr,orkPMis sMtaorttoerd,.Finite Element Analysis.

MieeÜkBManötielrvt.oi,nen.MraisykidDtieMnSs@iüM,khoUecoRM(mbbMKRRKamnNteiiaaaeeoırroodlkedddççyyuittr.oinoowwyyyooetsdakkeeerrdTtoolt,y,llleurrıimaFFsAAAdd.pltsiissraikkkiuuennu::arıııyyii,ımBlllttrnggıııeeıDDKuuSSSömEElliiüüüIlaao1rrllr.rrmmeee9oceeeLccmm8nkkkaaatt0t--eeddllleiiiDDd’nnaaBllMMMtt.rriiiioAAvvııırkkknneeyssonnn111,,aaıınkklaaall...l)yylltttaPPııııssrkkssseeiiıvllllssGGGnrrıııaae..mm(((iiiRRRaarrrbSnnAAAiiiakkmeeuuSSSnnıCllMMMnttllaaod)))nnaMMıımmmll(mmaaSoookggaaatttennooomkkeerrrfttalllaaittaaanrddirrriııuMMnrrgggm..üüüoonnnttaooüüürCNNrrdmmm,,oıddnüüübFFdPPzzzaeedddalMMBBtneee) Teknopark, Bab(SiNiüsrerçkeokedkllyiem,i(uuKvymegoyuaclIaarmoeSnaaldibaiBt)orsoMınk)lııkknvlaetısSlıkmuCl(lSaoMnıl()mSamktoartdoiıurrml.ar CNbodibrFçaeolBtk)

oguzhan@mdsmo(muNytıogkeruon.cldaaotymımmslaaiduraımnaseI1rn9ok8nr0o’nBl,i oDryoCınllv)aerıvknelasbSikamsıCennodkar(oSnkaemfoainrtioiunrmlaraınrCdoyınbedraialntn)i hmSıüızkrleınckaaltiısalla(mrvıaenya 1b9Sa8a0lba’ilmti)ıytıMırl.lıakBrnıunatımsbloıatoı(rnSldaMar, )akseemnfokintrooinrnlaryaardbaıinrdçDoaCkn

RÇEL3AKrA-G.e.M, TeuühmmhSuurzazyıyıküoozzcegglrellttireauuııoomezcckll,rraaaliliaaemmçrraaosııaaillktnn(mmddaviaanaaenskkyyyaauubaayasslleeullıvaadnnbbelnnaSkkaaıırrallooaaullbaammnnyimmt,,g)aaıııuDDryyllaattıCCaııMkccrrmlaa..vvaıakeerBBdıınnkkauuaööı,lltnaazzımmssveeliileooıkkrdttuuioossümyyee(rrSllggnnlüaaeMuukkrrkr,,llrriaaoo)naammnnissnoaaeemmlllnnmaayookkrrüattrrooksoobbırrsnn,aalleaakrryyttaaıımaannoddboolyyaamimlleermmçDDrraeiioaasnnnCCıkktii, gunsu.albas@arcümezloiektro.ecrolaçmroıkn skauyllıadnaıluamygauylaacmaadı aö, zveleruimygleurlianminalayrükbsaektaoolmlmaasık, hüzacerime leçroikninsayıvdea uaygıurlıakmlaardınaı,nverdiümlüekrininolmyüaksıs,ek moolmmaesnıt, yhoaciumnlleurkinlairnınınveve amıormlıkelnatr/ıanınırlıkdüorüaknlarıonlmınasfıa,zlamoolmmeanstı nedeniyle tercih edilmeye balanmılardır [1-3]. Özellikle

gyoünuünmlüuzkdlaerınırnobvoetlumomoetonmt/asyırolınklarodranlakrıunlılnanıflaaznla oslemrvaos-ı ymnoeodteuonrlilayurlkdelaa,rteınsracınvihuvnemdamilmvoemeyebenety/baazılrealınkymaıosrlaeankrdltaöırrılne[ır1nin-3df]ae.z, lÖaelzeoeklltmlriikaklsleiı tngaüednıteülnamriydülaze,dhetaevrcaricohıblıoketdlvuielmuezoyateyomubyaagsyuloalanmlmaarıldalaarırnddıkrau, l[bl1au-n3tıi]lpa. nmÖoztseoelrlrlivakorlaesgmıükonçtüoamrrlaürszdtdlaae,msaakrvoumbnoümtmlauküvneodtbüorem.yBazsiyroeunyylgarudlsaemktaökriulçelirnlainnudıyleag,nuenlessküetrreivkol-i mtaıokıttnolarlrtadısrald,ıah,masvoaatvcouırlnuıkmvaseçvueezrakbyeenuyyaygzaudelaamyaatalsaearıkrnltadörarkl,ebrniundtuieyp,gmueloaetmkotrarlinakırlnai mtsaıkoıçmtalaernadtsa-th,laıhzmavaakvceımlıükmvokemüunezdnaüty-rg.uüyBçgiur lugaymibgaiullaarkmınaardaaikç,tibenruiustytiipguimnostoürleakrlai msıkıkçnaartaıssltılammmaooktotomrruüumnskeüçrenordtkoüerrn. Byyiaarpduıasyıgntuıalsaambrlealriirkçleeinyiucuiyygguuunnlassmuürradenukırlni. Ömrıoknmneeantiınts-,lhı mızmotoovtroeurnu mösozemeçlelerinktle-engügçyeandigaibbtiairsaksralarbariktetengrüisçutiybgiöullgasemüsriaennkdılnei çmaoılkımnaeacntaıts-lhı ızuymgovuteloarmumnaloamrroeiçtnoitnr-gdüyâçahpilıgisiıbmniııknkbaaetrlıaisrkllıteeymricosittioriulanrssuüterrdrecukirlhi. mÖedrıiknlinera. tiÇıns,olıkmyomütkosrteuoknruhnöızzleırluoliytkoglreulagymeanapilıasrıdnbaıirisbseaeybliüirtzleegyyüidcçeinbmuönlıgksenusaridtnıusdrleı. Öçmarolnıtoearclianr, ı mutoyatgsoaurrluıamnmaölzaearlvliaiçknilnteajdlgaâerhıniili nmbeiıdrkensnaaitbısiltıilgmeüoçtodbraölahlrgaetseirncsdiıhke çkeadulilıliaran.cıÇalmoıkakuytyüagdkuısrle.akmhBaılezanlrızueiçyrignuledakâmihlaidleiarmdüaırkiesnteiamtyısülzımemyadloieytnoertmliaırkantzeartcısvilheı kemdooinlttiorro.llÇaüronk ybtüaasksasirteıkmohlımzlaısvuıayngtöuanjlleaamrıalilarbndieardiesuneniysüuzrielyeidseendmayhüıkazneaytdısesılnkı mkuıolktlnoanarltıaılsmrlıakmtaosdtaıor.rımlarB,enhazavetatrantayjeülakzriüıldke neüekdrieelltnimi mıkmilneaaltiıyseldatairhaiayzi sbvıiker skeuoçlniltmarnodılliümrn. akbtaadsıirt. oBlmenazseır öneekmilldie biürretuimnsurmailsieyetyi üzaezydevne kmoınktnraotlıüsnlı mbaostiotrlaorl,mhaastıta öynüemzülki beikr illuinmsuırknaisteıslayrüziyeiydbeinr Kmseaıçkliınmcaıdtıisrl.ımmıkontaotrılsalrı, hamttoatoyrlüazrük roektoilrli myıakpnıaltaırsılnaar iyigöbrier sıençıifmladnidr.ırılabildikleri gibi yaygın olarak besleme akımı dalga Keakllıicnıe gmörıkenadtıeslı sınımflaontodrılraılrırlarr.oto“Fr ırçaysaızpılaDrıCna Mogtöore” Ks(BınarlıuıfclsaıhnldesırsmılDaıkbCnilaMdtiıksoltıeorri –gmiBboiLtyoDarClyagrMınootorloar)rtoaokrlabreaskylaebpmiılleianraeıknıamıotdogaröllgaraer sliıetnkeırlfialnatüenrddıgerıölarbebeisllddeiemkleesrıiankgıfıilmbainıydatıryaıglpıırenlzaor.ildara“alFkıdrbçaealsgslaıezmeeDkaClkinımdMeı dooatolagrna” m(BeokrtluoisnrhelalerdsgsıörD.re“CFıMdrçeoastoıszrınA–ıfCBlaLmnDdoıCtroılrMı”rl(oaBtro.rru)s“hoFlıearsrçasaksAıbzCiliMnDeoCntomrM–otootrolar”r (liBterruasthülredses DbCeslMemoteora–kıBmLı DtCrapMezootoidr)aloladraalkgabilienkelninmdeotoorllaanr lmitoetroartülarrddeır.b“eFsılreçmaseızaAkıCmmı ottroarp”ez(BoirduaslhledsaslgAaCMekolitnodr e– olan motorlardır. “Fırçasız AC motor” (Brushless AC Motor –

(a)

(b)

(c)

mmeeııkkkkiinnllaatt11ıı::ssllııFF,((maaaarr))(okkbtll)oıı rlssdaüüarrrheeikklillii mmmıkııkknnn((abbaat))ıttsıısslıllıı

motor ve (c) motor

yydaaıppııllaarorr((ııtcc::o))r((laau))

yüzey yüzey yüzey

meıkkinla1tı:slıF, ar(kbl)ı sdüarheiklili mmıkıknnaatıtsıslılı vmeot(ocr) ydaıpılarorıt:or(lau) yüzey

mıknatıslı,m(obt)orldaarhili mıknatıslı ve (c) dı rotorlu yüzey

mıknatıslı motorlar

a uygulaması

günümüzde robotlu otomasyonlarda kullanılan servotor tasarımı

motorlarda, savunma ve beyaz eya sektörlerinde, elektrikli

sı seçenekleri

taıtlarda, havacılık ve uzay uygulamalarında, bu tip motorlara

rilen tasarım k, termal ve

sıkça rastlamak mümkündür. Bir uygulama için uygun sürekli mıknatıslı motoru seçerken yada tasarlarken uygulamanın

or tasarımı

moment-hız ve moment-güç gibi karakteristii sürekli

ilmitir.

mıknatıslı motorun rotor yapısını belirleyici unsurdur.

Örnein, motorun özellikle geni bir sabit güç bölgesinde

BLAC Motor)” veya “Sürekli mıknatıslı senkron motor” olarak bilinen motorlar ise literatürde besleme akımı sinüzoidal dalga eklinde olan motorlardır. Unutulmaması gereken nokta, her iki motorun da DC veya AC bir kaynaktan beslenebilmeleri ve her iki tür motorun da fırçasız motor olmalarıdır. ekil 1’de de gösterildii gibi sürekli mıknatıslı motorlar rotor yapılarına göre yüzeyden mıknatıslı, gömülü mıknatıslı ve dı rotorlu yapılar olmak üzere 3 temel kısımda sınıflandırılabilirler. Bu 3 gurubun dıında yer alan yüzük tip mıknatıslı yapılar da yüzeyden mıknatıslı guruba dahil edilebilirler.

Standart sürekli mıknatıslı motorların tasarımı ve üretimi, dünyada birçok firma tarafından belirli güç ve hızlarda yapılmaktadır. Ancak, her ne kadar tasarım aamasında kullanılan yazılımlara sahip olunsa bile, özel uygulamalar için motor tasarımı uzmanlık istemekte ve zaman almaktadır. Standart dıı, özel sürekli mıknatıslı motorların tasarımı ise, balı baına uzmanlık gerektiren zor bir itir. Bu tür motorların denklemleri motor yapısına balı olarak deimektedir ve modelleme ile sonlu elemanlar analizi (SEA) gibi analizler olmaksızın tasarımları sonlandırmak zaman kaybı ve ek maliyet getirme gibi riskleri beraberinde taımaktadır.

Bu çalımada dorudan sürülü beyaz eya uygulamasında kullanılan bir SM motor için dı rotorlu kalıcı mıknatıslı senkron motorun tasarımı özetlenmitir. Tasarım süreci, elektromanyetik sonlu elemanlar analizi, yapısal ve termal tasarımlar SPEED, Flux 2D ve MotorCAD gibi modern yazılımlar kullanılarak gerçekletirilmi ve motor prototip üretimi aamasına getirilmitir.

2. Tasarım Kriterleri

Tasarımda kullanılacak temel kriterlerden biri olan moment ve hız verileri ekil 2’de özetlenmitir. Motor tasarımı, biri düük hız, dieri ise yüksek bir hız olmak üzere iki farklı çalıma noktası için gerçekletirilecek ve bu noktalarda 1pu ve yaklaık 0.2pu momente ihtiyaç duyulacaktır. Kullanılan elektriksel verilerin yanında kritik dier bir veri ise mekanik kısıtlamalardır. Beyaz eya motorunun monte edilecei hacmin boyutları tasarım aamasında göz önüne alınarak, tasarlanan motorun bu hacmin içerisine gireceinden emin olunması gerekmektedir. Ayrıca tasarlanacak motorun seri üretime uygun olması da dier bir önemli tasarım kriteridir.

T [pu]

w [rpm]

ekil 2: DS Beyaz eya uygulaması için tasarlanacak SM

motorun moment-hız karakteristii

3. Konsantre Sargılı Motorlar

Üretim kolaylıı ve üretim maliyetinin düük olması nedeniyle konsantre sargılı motorlar günümüzde bir çok uygulamada yer bulmaktadır. Bu tip sargı yapısına sahip motorlar yüksek hızlı uygulamalarda olduu kadar, dorudan sürülü, yüksek kutuplu uygulamalarda da sıkça görülmektedir. Konsantre sargı yapısına sahip 3 fazlı dengeli motorların temel özellikleri Tablo 1’ de kısaca özetlenmitir. Bu tip motorları sinüzoidal motor olarak tasarlamanın yanında, tasarımın getirecei üretim avantajı ve maliyet faktörü de bu motorların çok adetli uygulamalarda kullanılmasını daha cazip kılmaktadır [4].

Tablo 1: q1 Olan Sargı Yapılarının Karılatırılması

Oluk/kutup/ faz oranı (q) q = 0.5

Özellikler

• Kısa kutup adımları • Sinüsoidal akımlar için performansta sorun • Düük sargı faktörü Kw= 0.866 • Kare dalge besleme için yüzey mıknatıslı motorlarda yüksek moment dalgalanması • Moment dalgalanma artı olmayan düük güçlü uygulamalarda kullanım

q = 0.5 – 0.33

• q = 0.5’e göre yüksek performans

• 12 oluk - 10 kutuplu ilginç tasarım • Tek katmanlı sargı yapısını destekler • Düük moment dalgalanması ve düük vuruntu momenti

q = 0.33 –0.25 • Moment younluu sargıların daha fazla akı kesmesi nedeniyle yüksektir.

• Yüksek sargı faktörü avantajdır • 12 oluk, 14 kutuplu ilginç tasarım

• Tek katmanlı sargıları destekler • Sinüzoidal akımla beslemeye uygundur

q  0.25

• Daha sinüsoidal moment fakat genlik düük

• Kare dalga besleme durumunda, olukların düzensiz daılımı yüksek performans salar

4. Dı Rotorlu Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motor Tasarım Süreci

Farklı tip elektrik motorlarının tek bir model kullanarak analizi ve tasarımı mümkün deildir. Farklı motorlar yada farklı rotor yapıları için denklemler ayrı ayrı oluturulmalı ve motor boyutlandırması gerçekletirilmelidir. Genelletirilmi motor boyutlandırma denklemleri yüzey mıknatıslı motorlar için daha önce gelitirilmi, doruluu ve ilerlii ispatlanmıtır [5-6]. Bu tasarım yöntemi kullanılarak elektrik motorlarının optimum boyutları tasarım kriterleri dorultusunda elde edilebilmektedir. Motorları, maksimum güç younluu noktası, minimum maliyeti verecek ekilde tasarlamak, maksimum verim noktası için yada minimum motor aırlıı için tasarlamak aaıda açıklanan sistematik metot ile mümkündür.

Aydın M., Ocak O., Çırpanlı Albaş G., Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motorların Doğrudan Sürüşlü Beyaz Eşya Uygulamalarında Kullanımı, EMO Bilimsel Dergi, Cilt 2, Sayı 3, Syf 7-11, Haziran 2012

Stator kaçak endüktansı ve direncinin ihmal edildii herhangi bir 3 fazlı elektrik motorunun çıkı gücü,

PR = 3ηK p EPK I PK

(1)

eklinde ifade edilir. Burada EPK hava aralıı faz EMF’si tepe deeridir. Benzer ekilde IPK ise faz akımı tepe deeri ve η motor verimi olarak tanımlanmıtır. (1) Denklemindeki KP katsayısı ise elektriksel güç dalga katsayısıdır. Bu katsayı motor EMF ve akım dalga ekline balı bir parametredir.

Hava aralıı faz EMF’sinin tepe deeri standart sürekli mıknatıslı motorlar için denklem (2) de verilmitir.

EPK

= KeNt Bg

Do

Le

(2)

Burada Ke sargı faktörünüde içeren EMF faktörü, Nt sarım sayısı, Bg hava aralıı akı younluu, f besleme frekansı, p kutup çifti, λo ise motor çap oranı olarak tanımlanır:

Dg Do

(3)

Çap oranı standart radyal akılı motorlar için Do motor dı çapı, Dg hava aralıı çapı olacak ekilde verilmektedir. Bu oran motorun oluk uzunluuna, arka nüve kalınlıına, mıknatıs kalınlıına ve kutup sayısına balı olduu unutulmamalıdır. Le ise tüm denklemlerde motor paket boyu olarak tanımlanmıtır.

Tasarım denklemlerindeki faz akımının tepe deeri ise denklem (4)’de verilmitir;

I PK

1 1 + Kφ

Ki Aπλo

Do 2m1Nt

(4)

Bu denklemde A toplam elektriksel yükleme, Kφ ise rotor elektriksel yüklemesinin stator yüklemesine oranı olarak verilmitir. Sürekli mıknatıslı motorlarda rotorda sargı olmadıı için Kφ=0 olarak alınmalıdır.

Bu denklemler birletirilirse, kalıcı mıknatıslı motorlar için çıkı güçü kolaylıkla elde edilir. ayet çıkı gücü D2L denklemi olarak yazılmak istenirse;

KeKi K pηBg A

λ2o Do2 Le

(5)

elde edilir. Motor çıkı gücünü D2L denklemi yerine D3 denklemi olarak hem radyal akılı hem de disk motorlar için yazmak da mümkündür;

KeKi K pKlηBg

A

λo2 Do3

(6)

SM motorlar için verilmi bu denklemlerde PR anma gücü yada motorun mil gücü, m1 statorun faz sayısı, Ki akım dalga faktörü, Kp elektriksel güç dalga faktörü, olarak tanımlanmıtır. Endüklenen EMF ve besleme akımı dalga ekline göre bu faktörler deiiklik göstermektedir.

Bu tasarım denklemleri kullanılarak dı rotorlu, mıknatısları yüzeye yapıtırılmı kalıcı mıknatıslı bir motorun boyutları

tesbit edilebilmektedir. Dı rotorlu bir SM motorun 3 boyutlu katı modeli ekil 3 de verilmitir. Bu aamadan sonra elde edilen ön elektromanyetik tasarım, kendi içerisinde performans kontrolü, SPEED [7] yada benzeri bir yazılım kullanılarak parametrik optimizasyonu, 2 yada 3 boyutlu Sonlu Elemanlar Analizi (SEA) gibi uzun, yorucu ve zaman alıcı aamalara tabi tutulur. Motor topolojisi sonlu elemanlar yazılımının 2D yada 3D olacaını belirler. Elde edilen tasarım yada tasarımlardan uygulamanın özelliklerine uygun olanı yada olanları SEA ile analizi yapılarak tasarım kriterlerine uygunluu belirlenir. Bu döngülü prosesin kriterlerin zorluk derecesine göre birkaç defa tekrarlanabilecei göz ardı edilmemelidir. Elektromanyetik tasarım aamasını geçmi bir motor, yapısal tasarım yada analiz aamasını geçemez ise elektromanyetik tasarım aamasına geri dönülmelidir. Yüksek hızlı uygulamalarda, rotorun yapısal bütünlüünü korumak için tasarımın bu aaması çok önemlidir. Rotor yapısının maruz kalacaı stres ve yer deitirme deerleri dikkatlice kontrol edilmelidir. ayet uygulamada yüksek rotor hızları söz konu deilse yapısal analize gerek kalmayabilir. Tasarım sürecinde son aama ise termal streslerin kontrol edilmesidir. Motor yapısı uygulmaya balı olarak sürekli çalıma yada maksimum çalıma durumu için manyetik tasarım aamasında belirlenen tüm kayıp deerleri kullanılarak sıcaklık artıları ve sıcaklıkların hangi seviyelere ulatıı kontrol edilmelidir. Bu bir SEA olabilecei gibi CFD türü bir çalıma da olabilir. Benzer ekilde elektromanyetik ve yapısal tasarım aamalarını geçen bir motorun termal tasarım aamasında sorun yaratması elektromanyetik tasarım aamasına geri dönülmesi anlamını taımaktadır. Akım younluu düük uygulamalarda veya çok sıcak ortamlarda çalımayan sürekli mıknatıslı motorlarda termal tasarıma gerek kalmayabilir. Tasarımcının tecrübesi, bu tip yapısal ve termal analizlere gerek olup olmayacaını belirleyen en önemli unsurlardan biridir. Ancak, özel bir uygulama için tasarlanan sürekli mıknatıslı bir motor, tüm tasarım aamalarını geçtikten sonra prototip veya üretim aamasına geçilmelidir. Tüm bu tasarım süreci ekil 4’de detaylıca gösterilmitir.

ekil 3: Dı rotorlu SM bir motorun 3 boyutlu görünümü

ekil 4: Dı rotorlu SM motorun tasarım aamaları

5. Dı Rotorlu Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motor Sonlu Elemanlar Analizi

Sonlu elemanlar analizinin (SEA) elektrik motorlarının analizinde kullanılmasının temel amaçları, motorun stator ve rotor nüvesi, di, oluk gibi farklı noktalarında ki doyum seviyeleri hakkında bilgi sahibi olmak, motor tasarım modelinin doruluunu test etmektir. Ayrıca motordan alınabilecek vuruntu momenti, moment dalgalanması ve ortalama moment gibi motorun moment kalitesini ve kabiliyetini gösteren moment bileenlerinin seviyeleri SEA ile belirlenebilmektedir. Farklı SEA programları sayesinde motor kayıpları ve motor verimi dahi hesaplanabilmekte, zamana balı geçici durum SEA’leri mevcut yazılımlar sayesinde yapılabilmektedir. Genelde, radyal akılı standart SM motorlarda 2 boyutlu SEA, eksenel akılı SM motorlarda ise 3 boyutlu SEA kullanılır. Motor paket boyunun motor çapına oranının çok küçük olduu radyal akılı SM motorlarda ise 2 boyutlu SEA’den çok 3 boyutlu SEA daha doru sonuç vermektedir. Günümüzde birçok SEA yazılımı sürekli mıknatıslı motorların analizinde kullanılmaktadır ve programların dorulukları birçok aratırmacı tarafından gösterilmitir. Bu makaledeki çalımalarda Flux2D (Cedrat) yazılımı kullanılmıtır [8]. Flux2D yazılımı kullanılarak oluturulan SEA modeli ve a yapısı, incelenen dı rotorlu motor için ekil 5’de gösterilmitir. Simetri özelliinden faydalanılarak motorun tamamı analiz edilmemi ve bu sayede çözüm süresi bir hayli kısaltılmıtır. Ayrıca ekilden de görüldüü üzere, özellikle elektrik makinelerinde enerji dönüümünün gerçekletii yer olan hava aralıında ki mesh yapısı oldukça iyidir. Bu da analizin doruluunu artırıcı önemli bir faktördür.

ekil 5: Dı rotorlu SM motorun SEA modeli ve a yapısı

ekil 6, ekil 7 ve ekil 8’de motor yüksüz ve yüklü durum analizleri gösterilmektedir. Motor akı younlukları her iki çalıma noktası için de makul seviyelerde olduu gerçekletirilen SEA’lerinde görülmektedir. Belirlenen kutup sayısı-oluk kombinasyonu ile motor vuruntu momenti anma momentinin %6’ları mertebesine çekilebilmitir. Bu sayede düük hızlarda motor kontrolü daha rahat yapılabilecektir.

ekil 6: Dı rotorlu SM motorun manyetik akı çizgileri ve akı younluu deiimi

Ayrıca yüklü durum analizleri de bu motor için gerçekletirilmi, hem yüksek hemde düük hızlarda yüklü durum momenti istenen moment-hız artını saladıı görülmütür. Flux yazılımı kullanılarak elde edilen endüklenen faz gerilimi dalga ekli 500rpm için ekil 9’da verilmitir. Düük harmonikleri içermeyen, yüksek harmonik içerii olan bu dalga ekli istenen artları salamaktadır.

0.7

Akı Younluu [T]

0.3

0.1

Elektriksel Açı [Derece]

ekil 7: Hava aralıı akı younluu deiimi

Moment [pu]

0.0 0

0.08

0.06

0.04

Vuruntu Momenti [pu]

0.02

0.00

1.5

2.0

2.5

-0.02

-0.04

-0.06

-0.08 Rotor Pozisyonu [Derece]

ekil 8: Dı rotorlu yapının çıkı momenti ve vuruntu momentinin deiimi

200 faz gerilimi

Back EMF [V]

0 0

-50

-100

-150

-200

ekil 9: Dı rotorlu yapının 500rpm hız için back EMF dalga eklinin deiimi

Aydın M., Ocak O., Çırpanlı Albaş G., Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motorların Doğrudan Sürüşlü Beyaz Eşya Uygulamalarında Kullanımı, EMO Bilimsel Dergi, Cilt 2, Sayı 3, Syf 7-11, Haziran 2012

6. Yapısal ve Isıl Analizler

Elektromanyetik tasarım çalıması tamamlanmı dı rotorlu kalıcı mıknatıslı motorun yapısal sonlu elemanlar analizi gerçekletirilmi ve motorun çalıacaı maksimum hızda yapısal olarak bir problem olup olmadıı incelenmitir. Mıknatısların merkezkaç kuvvetlerinden dolayı oluan kuvvetlere karı kullanılan yapıtırıcının oluturduu ba kuvvetinin oldukça yeterli olduu yapılan çalımalar neticesinde görülmütür. ekil 10’dan da görüldüü gibi maksimum hızda oluan stres seviyeleri 20Mpa mertebelerindedir ve bu deer kullanılan malzemelerin yapısal özellikleri göz önüne alındıında önemsiz deerlerdir. Ayrıca rotor yapısında maksimum hız altında 0.0016 mm radyal yönde deformasyon olutuu görülmü ve önemsiz miktarda bir deformasyon olduu sonucuna ulaılmıtır.

rotor mıknatıs

ekil 10: Edeer gerilmelerin mıknatıs etrafındaki deerleri. Ayrıca dı rotorlu kalıcı mıknatıslı yapının en zor koul olan maksimum yük altında termal analizleri yapılmı ve stator ile rotordaki kararlı durum sıcaklık deerleri incelenmitir. Dı rotorlu yapının termal analizi Motor CAD [9-10] yazılımı kullanılarak gerçekletirilmitir. ekil 11’de Motor CAD yazılımından elde edilen motora ait sıcaklık deerleri verilmitir. Bu yazılım kullanılarak motor modellenmi ve motorun sargı sonları dahil deiik noktalarda kararlı durum sıcaklıkları farklı ortam sıcaklıkları da hesaba katılarak tesbit edilmitir. Modelleme, en zor koul olan düük hız çalıma noktasında 1pu moment için gerçekletirilmi ve kararlı durumda motor sıcaklıkları ekil 11’de verilmitir. Sonuçlardan da görüldüü gibi ortam sıcaklıı 20 oC alınırsa, motorun sargı sonu sıcaklık deeri 90.4 oC seviyelerine

ekil 11: Motor CAD yazılımından elde edilen motorun sıcaklık profili (kararlı durum profili) – radyal ve eksenel görünüm

ulamaktadır. Bu durumda mıknatıs sıcaklıı 63.2 oC gibi düük bir seviyededir. Kullanılan mıknatısın yüksek sıcaklıklara dayanabilen bir NdFeB tür mıknatıs olduu düünülürse bulunan deerler makul seviyelerdedir. Ortam sıcaklıının 50 oC seviyelerine çekilmesi durumunda ise Motor CAD yazılımından elde edilen maksimum sıcaklık 118 oC seviyelerine, mıknatıs sıcaklıı ise 89 oC seviyelerine ulamakta, sargı ve mıknatıslarda bir problem gözlenmemektedir.

7. Sonuçlar

Bu çalımada dorudan sürü (DS) beyaz eya uygulaması için analizlerle desteklenen kalıcı mıknatıslı bir motor tasarımı çalıması gerçekletirilmitir. Belirlenen oluk-kutup kombinasyonuna göre yapının uygulama ve kriterler açısından tasarımı yapılmı, elektromanyetik, mekanik ve termal analizleri tamamlanmı, moment kalitesi incelenmi ve tasarım sonlandırılmıtır. Motor vuruntu momenti, çıkı momenti deerlerinin tasarım kriterlerine uygun olduu yapılan elektromanyetik analizler sonucunda görülmütür. Ayrıca akı younluu seviyelerinin de kritik seviyelerin altında olduu yine yapılan analizler sonucunda gözlenmitir. Rotor, maksimum hızda yapısal analize tabi tutulmu, motor nüvesinde ve mıknatıslarda oluan yapısal stres ve deformasyon incelenmi ve bir problem olmadıı teyit edilmitir. Ayrıca termal analizler akım younluu da göz önüne alınarak gerçekletirilmi ve kararlı durumda mıknatıs ya da sargıların farklı ortam sıcaklıklarında termal problem yaratmayacak olmasına tasarım sürecinde dikkat edilmi, tasarım sonlandırılmı ve motor prototip üretimi aamasına getirilmitir.

8. Kaynaklar

[1] T. Sebastain and G. R. Slemon, “Operation limits of an inverter-driven permanent magnet motor drives”, IEEE Trans. on Industry App, Vol.23, No.2, 1987, pp.327-333.

[2] T. Sebastian, G. R. Slemon and M. A. Rahman, “Design considerations for variable speed permanent magnet motors”, Proceedings of International Conference on Electrical Machines (ICEM) 1986, pp.1099-1102.

[3] N. Boules, “Prediction of no-load flux density distribution of permanent magnet machines”, IEEE Tran. on Industry App., Vol.21, No.3, 1987, pp.633-643.

[4] A. El-Refaie, “High Speed Operation of Permanent Magnet Machines”, PhD Thesis, Unv. of Wisconsin, 2005.

[5] S. Huang, M. Aydin and T. A. Lipo, “A direct approach to electrical machine performance evaluation: Torque density assessment and sizing optimization”, 15th Int. Conference on Electrical Machine ICEM 2002, Belgium.

[6] S. Huang, J. Luo, F. Leonardi, and T. A. Lipo, “A General Approach to Sizing and Power Density Equations for Comparison of Electrical Machines,” IEEE Transactions on Industry Applications, IEEE Trans. IA34, No.1, pp.92-97, 1998.

[7] SPEED Software, PC-BDC 9.04 User’s Manual, February 2010.

[8] Flux 2D Application Manual, Cedrat, March 2010. [9] D. A. Staton, “Thermal computer aided design –

Advancing the revolution in compact motors,” in Proc. IEEE IEMDC, Boston, MA, Jun. 2001, pp. 858–863. [10] Motor-CAD v3.1 software manual, April 2006.