Rüzgar türbinleri için enine akılı disk generatör tasarımı, benzetimi ve optimizasyonu
Design, simulation and optimization of transverse flux disk generator for wind turbines
Yazar: BURAK CAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ EMİN YILDIRIZ
Düzce Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Enine akılı makineler (EAM); yapılan yeni topoloji önerileri ile birlikte, elektrikli araçlar ve doğrudan tahrikli rüzgâr türbinleri gibi düşük hız-yüksek tork uygulamalarında önemli bir seçenek haline gelmiştir. EAM'ler ile yüksek tork yoğunluğu kolaylıkla elde edilebilirken, en büyük sakıncaları güç faktörlerinin düşük olması ve vuruntu torkunun yüksek olmasıdır. Ancak son yıllarda geliştirilen yeni modeller ile kaçak akılar azaltılmıştır. Mıknatıs kullanım oranı da arttırılarak önemli iyileştirmeler yapılmıştır. EAM'ler, radyal ve eksenel akılı makineler ile rekabet edebilir seviyeye gelmiştir. Bu çalışma ile, ülkemizde daha önce akademik olarak üzerinde fazla durulmamış EAM'ler ile ilgili literatürde incelenen modelleri tanıtmak, üstünlük ve sakıncalarını açıklayarak bir farkındalık oluşturulmak amaçlanmıştır. EAM'ler yapılarına göre (tek taraflı ve çift taraflı) ve mıknatıs konumuna göre (yüzey yerleştirmeli, gömülü) sınıflandırması yapılmıştır. Geleneksel lineer ve dairesel(radyal,eksenel) tipteki EAM'lerde, ağırlıklı olarak disk tipi olanlar veya disk tipi modeli geliştirilebilir olanlar dikkate alınmıştır. 250 W gücünde makine tasarımı için ANSYS Maxwell paket programı kullanılmıştır. Rotor iç yarıçapı 70 mm, 65 mm, 60 mm, 55mm ve 50 mm olan makineler incelenmiştir. Sonlu elemanlar yöntemi ile yapılan zıt emk analizleri sonucu indüklenen gerilimlerin birbirine yakın olduğu görülmüştür. Zıt emk analizleri yapılan makinenin boyutunun tam olarak belirlenebilmesi için vuruntu torku analizi yapılmıştır ve rotor iç yarıçapı 55 mm olduğu durumunda vuruntu torkunun daha düşük olduğu görülmüştür. Yapılan analizler sonucunda rotor iç yarıçapının 55 mm olmasına karar verilmiştir. Bu tezde yeni bir üç fazlı enine akılı disk generatör modeli tanıtılmıştır. Modelin çalışma prensibi ve elektriksel devre modeli açıklanmıştır. Sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak, önerilen generatör modelinin rotor iç yarıçapına göre zıt-emk kuvvetinin değişimi elde edilmiştir. Bir diğer elektromanyetik analiz olarak vuruntu torku incelenmiştir. Enine akılı makinelerin genel sakıncalarından olan vuruntu torku, 6 Nm'den 0,38 Nm' ye düşürülmüştür. Bunun için 3 fazlı disk model kullanılmış ve her disk yapısında 0,5° mıknatıs kaykısı uygulanmıştır.

Abstract:
Transverse flux machines (TFM); along with the new topology recommendations made, it has become an important option in low speed-high torque applications such as electrical vehicles and direct drive wind turbines. High torque density can be easily obtained with TFMs but the biggest drawbacks are low power factors and high cogging torque. However, the new models developed have reduced the leakage in recent years. Significant improvements have been made by increasing the use of magnets. TFMs can compete with radial and axial flux machines. With this study it is aimed to introduce the models examined in the literature related with TFMs which have not been discussed academically in our country and to create an awareness by explaining their advantages and disadvantages. TFMs are classified according to their structure (single-sided and double-sided) and magnet position (surface-mounted, embedded). In conventional TFMs of linear and circular (radial, axial) type, predominantly disc type or disc type model can be developed. ANSYS Maxwell program was used for dimension analysis for 250 W machine design. Machines with inner radius of 70 mm, 65 mm, 60 mm, 55 mm and 50 mm were examined. As a result of back emf analysis, the induced voltages were close to each other. Cogging torque analysis was performed to determine the exact size of the machine and when the rotor had an internal radius of 55 mm, the cogging torque was lower. As a result of the analysis, it was decided that the inner radius of the rotor should be 55 mm. In this thesis, a novel three phase transverse flux disc generator model is introduced. The working principle of the model and the electrical circuit model are explained. Using the finite element method, the back-emf force change was obtained according to the rotor inner radius of the proposed generator model. As another electromagnetic analysis, cogging torque was examined. The cogging torque one of the general drawbacks of transverse flux machines, it was reduced from 6 Nm to 0,38 Nm. To achive this a three phase disc model was used and 0,5° magnet skewing was applied to each disc structure.