36 stator oluklu, 2 kutuplu uzay harmonik etkisi azaltılmış asenkron makina başarımında rotor oluk sayısı etkisinin tespiti
Determination of the effect of the number of rotor slots on the performance of induction machines with 36 stator slots, 2 poles having reduced space harmonic effect
Yazar: MUHAMMETNUR ERCAN
Danışman: DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Asenkron makineler = Induction machinery ; Manyetik analiz = Magnetic analysis ; Moment tekniği = Moment technique ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; Stator akımı = Stator current ; Uzay mekanizmaları = Spatial mechanisms

Özet:
Son yıllarda elektrik enerjisinin tüketimi daha çok artmış ve gelecekte de hızla artmaya devam edecektir. Elektrik enerjisi tüketiminin büyük kısmını oluşturan elektrik makinalarının önemi, bireysel ve toplu ulaşımda elektrikli araçların tamamen benimsendiğinde kat ve kat artacaktır. Bu yüzden bir asırdan daha fazla üzerinde çalışılan elektrik makinalarının başarımlarının iyileşmesine katkılar son yıllarda hızlanmıştır. 
Sanayide, ev uygulamalarında ve hatta elektrikli araçlarda geniş yer tutan asenkron makinalardan daha yüksek başarım elde edilmesinin önemi üreticiler için oldukça büyüktür. Asenkron makinelerinin tasarımına ilişkin küçük detayların makine başarımının artırılmasında çok kilit bir rol oynamaktadır. .
Asenkron makinalardaki hava aralığı amper-sarım ifadesinin rotor açısına göre değişiminin statorun oluklu yapısı ve iletkenlerin oluklara dağılımı nedeniyle bir adım fonksiyonu şeklinde sinüse yaklaşmaya çalışan bir fonksiyondur. Elektrik makinalarında bu yapısal durum makine saf sinüs gerilimle beslense bile hava aralığındaki amper-sarım fonksiyonunun sinüs biçimli olmamasına neden olur ve hava aralığında uzay harmonikleri oluşur. Bu harmonikler makinalarda stator ve rotor oluk açıklığı, sayıları ve yapısından kaynaklı olarak çıkış momentinde titreşimler görülmesine neden olur. Bu titreşimler makinada akustik gürültüler ortaya çıkarırken kayıp artışlarından dolayı verimi de düşürür. Bu nedenle asenkron makinalarda uzay harmonikleri kaynaklı titreşim ve gürültü problemlerinin üstesinden gelmenin bir yolu da oluk sayılarının optimizasyonudur.
Bu çalışmada 36 oluklu 2 kutuplu asenkron makineler için rotor oluk sayılarının seçimi uzay harmonik etkiler göz önüne alınarak incelenmiştir. Geleneksel ve uzay harmonik etkileri azaltılmış asimetrik oluk ve sargı yapısına sahip olan stator yapısı ile farklı rotor oluk sayılarındaki rotorların çalışma durumları incelenerek en iyi başarımı veren stator-rotor oluk kombinasyonu tespit edilmiştir. Sonlu elemanlar yöntemi sayesinde incelenen kombinasyonların manyetik açıdan başarımı, moment karakteristikleri, akım değişimleri ve hava aralığı akı yoğunlukları sayısal olarak incelenmiştir. 
Öncelikle 4 kW, 380 V/50 Hz, 2 kutuplu ve 36 stator oluklu geleneksel bir asenkron makina ele alınmış ve rotor oluk sayısının değişiminin hava aralığındaki uzay harmoniklerine olan etkisi incelenmiştir. Dahası detaylı bir mukayese yapabilmek için moment titreşimleri ve işletme başarımı da verilmiştir. Tüm analizlerde rotor oluk sayısı dışındaki tüm geometrik ve elektriksel büyüklükler sabit tutulmuştur.
Çalışmanın ikinci bölümünde ise yine aynı plaka değerlerine sahip uzay harmonik etkileri azaltılmış asimetrik oluk ve sargı yapısına sahip olan makinada rotor oluk 
sayısının hava aralığındaki uzay harmoniklerine olan etkisi incelenmiştir.  Geleneksel makina ile benzer olarak yine moment titreşimleri ve işletme başarımları da detaylı olarak sunulmuştur. Çalışma kapsamında rotor oluk sayısındaki değişiminin makinadaki uzay harmoniklerine ve moment titreşimlerine etkisini incelemenin yanı sıra asenkron makine tasarımına ilişkin detaylar ve incelikler de verilmiştir. Seçilebilecek manyetik malzemelerin motordan başarımına bağlı olarak nasıl değişebileceği, toplam kayıpları en aza indirebilmek adına çeşitli yöntemler önerilmiş, tasarımsal inceliklere yer verilmiştir.

Abstract:
In recent years, the consumption of electrical energy has increased more and will continue to increase rapidly in the future. The importance of electrical machines, which make up the majority of electrical energy consumption, will increase exponentially when electric vehicles are fully adopted in individual and public transportation. Therefore, contributions to the improvement of the performance of electrical machines, which have been studied for more than a century, have accelerated in recent years.
The importance of obtaining higher performance from induction machines, which have a large place in industry, home applications and even electric vehicles, is very important for manufacturers. Small details of the design of asynchronous machines play a key role in improving machine performance.
The air gap ampere-turn expression according to the rotor angle in asynchronous machines is a function that tries to approach the sinus as a step function due to the slotted structure of the stator and the distribution of the conductors to the slots. In electrical machines, this structural situation causes the ampere-turn function in the air gap to be non-sine shaped even if the machine is fed with pure sine voltage, and space harmonics occur in the air gap. These harmonics cause ripples in the output torque due to the stator and rotor slot opening, their number and structure. While these ripples create acoustic noises in the machine, they also reduce efficiency due to loss increases. Therefore, one way to overcome vibration and noise problems caused by space harmonics in asynchronous machines is the optimization of the number of slots.
In this study, the selection of rotor slot numbers, which is a common issue for asynchronous machines, is examined by considering the space harmonic effects. The working conditions of the traditional stator structured asynchronous machine and the stator structured, which has an asymmetrical slot and winding structure with reduced space harmonic effects, were examined and the stator-rotor slot combination that gave the best performance was determined. With the finite element method, the magnetic performance, moment characteristics, current variations and air gap flux densities of the combinations examined were numerically investigated.
First of all, a conventional induction machine of 4 kW, 380 V/50 Hz, 2 poles and 36 stator slots is considered and the effect of the variation of the rotor slot number on the space harmonics in the air gap is investigated. Moreover, moment ripples and operating performance are also given for detailed comparison. In all analyzes, all  
geometric and electrical quantities or values were kept constant except for the number of rotor slots.
In the second part of the study, the effect of the number of rotor slots on the space harmonics in the air gap in the machine with the same name-plate values and asymmetrical slot and winding structure with reduced space harmonic effects was investigated. Moment ripples and operating performances are also presented in detail, similar to the conventional machine. Within the scope of the study, besides examining the effect of the change in the number of rotor slots on the space harmonics and moment ripples in the machine, the details and subtleties of the asynchronous machine design are also given. Various methods have been proposed in order to minimize the total losses, how the magnetic materials that can be selected can change depending on the performance of the engine, and design subtleties are included.
To introduce briefly the method applied during this study, two separate stator structures (optimized to reduce space harmonics and standard) are kept constant, the amount of aluminum used in the rotor remains constant regardless of the change in the number of rotor slots, without any change in the weight of the motor and the material used. Without changing the slot height and thus the rotor yoke length and air gap, only the change in the number of rotor slots and the variation of the rotor tooth thicknesses were first analyzed by the finite element method, and the magnetic analysis outputs were obtained.
When an asynchronous machine optimization issue is discussed, it is not possible to address the issue by ignoring the design subtleties. In this thesis, besides examining the effect of the change in the number of rotor slots on the space harmonics and vibration of the motor, the details and subtleties of the asynchronous machine design are also shared. While it is mentioned which the magnetic materials to be used can and should be changed depending on the output designer wants from the motor, methods are suggested in order to minimize copper losses, iron losses and other losses, and design subtleties are included.
The theory of electromagnetism is included in order to touch on the design details of the asynchronous machine. Relevant mathematical approaches will primarily assist us in the design phase of the electromagnetic analysis of the motor. In addition, the calculations of the harmonics occurring in the asynchronous machine space are given in detail.
Finally, space harmonics were obtained with the help of Matlab with the Fourier analysis of the variation of the air gap flux density according to the mechanical angle. The data obtained are interpreted in detail and a contribution is made to optimize the number of stator and rotor slots of the asynchronous machine as a result of motor performance.
As a result, it is revealed that the optimum stator/rotor slot combination of asynchronous machine with 36 stator slots with standard winding and slot structure and 36 stator slotted asynchronous machine, whose stator is optimized to reduce space harmonics, differs. While the number of rotor slots each have positive or negative effects on the amplitudes of different space harmonic orders, how much this situation changes in two different asynchronous machines needs to be examined in detail both in terms of torque ripples and amplitudes of space harmonics.
The amplitudes of the machines space harmonics, especially the 5th and 7th space harmonics, were examined and evaluated in detail, up to the 51st space harmonics. 
While 28 rotor slots and 33 rotor slots were prominent in the asynchronous machine whose stator was not improved for spcae harmonics, but 29 and 44 rotor slot numbers were prominent in the stator-improved asynchronous machine.
In summary, this study examines the stator and rotor slot number matches in reduced space harmonics in asynchronous machines together with the space harmonics analysis, motor performance analysis, torque ripples analysis and losses analysis in detail. Additionaly, this study proposes a methodology for asynchronous machine designers, including the issues to be considered in the selection of the number of stator and rotor slots.