Yüksek verimli sürekli mıknatıslı senkron motorun tasarımı, elektromanyetik ve gürültü-titreşim analizleri
High efficient permanent magnet synchronous motor design, electromagnetic and noise-vibration analysis
Yazar: ATAKAN ŞAHİN
Danışman: DOÇ. DR. YASEMİN ÖNER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021

Özet:
Sürekli mıknatıslı senkron motorlar endüstriyel uygulamalarda, beyaz eşya uygulamalarında ve elektrikli araçlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Dünya üzerindeki enerji ihtiyacının son yıllarda hızla artması ve buna bağlı olarak enerji verimliliği konusunun daha fazla önem kazanmasıyla birlikte performans ve verim açısından diğer motor tiplerine göre daha iyi olmasından dolayı sürekli mıknatıslı motorlar üzerindeki çalışmalar artarak devam etmektedir.
Endüstriyel uygulamalara bakıldığında asenkron motorların kullanım oranının sürekli mıknatıslı senkron motorlara göre çok daha yüksek olduğu belirgin olarak gözlemlenebilmektedir. Düşük üretim ve bakım maliyeti, şebekeye direkt olarak bağlanabilmesi açısından açısından endüstriyel uygulamalarda yüksek oranda asenkron motorlar tercih edilmektedir. 
Yakın gelecekte IEC tarafından yapılacak verim düzenlemelerinde belirli güç aralıklarında IE4 verim sınıfına sahip motor kullanma zorunluluğu ortaya çıkacaktır. Bu durumda asenkron motorlarla bu verim seviyelerine ulaşmak ancak çok büyük hacimlerde motor tasarlanmasıyla mümkün olacaktır. Sürekli mıknatıslı senkron motorlarda rotor iletken kayıplarının olmaması ve mıknatıs kayıplarının çok düşük seviyelerde olmasından dolayı verimleri yüksektir. Ek olarak mıknatısların sahip olduğu yüksek enerjiden dolayı asenkron motorlara göre çok daha küçük hacimlerde daha yüksek moment elde edilebilecek şekilde tasarlanıp üretilebilirler. 
Beyaz eşya, elektrikli araç ve özel endüstriyel uygulamalarında sürekli mıknatıslı senkron motorlardaki gürültü ve titreşim parametreleri hem motorun ve bağlantı elemanlarının ömrü hem de çevre sağlığı açısından önemlidir. Bu motorların hava aralığındaki radyal elektromanyetik kuvvetlerin stator dişlerinde meydana getirdiği kuvvet, motordaki en büyük gürültü kaynaklarından biridir. Yüksek moment dalgalanması ve vuruntu momenti, hava aralığındaki elektromanyetik kuvvetlerin yüksek harmonikli olmasına sebep olmaktadır. Özellikle bu vuruntu momentini ve moment dalgalanmasını azaltmaya yönelik yapılan çalışmalar motordaki gürültü ve titreşime de olumlu yönde etki etmektedir.
İlk olarak literatürde bulunan sürekli mıknatıslı senkron motorlara ait çalışmalar incelenmiştir. Yapılan bu çalışmalara bakıldığında tasarımsal olarak stator yapılarının birbirlerine benzer olduğu, rotor yapılarının ise mıknatıs şekillerine göre ve mıknatıs konumlarına göre farklılaştığı gözlemlenmiştir. Yapılan tasarım optimizasyonları incelendiğinde, optimizasyon ihtiyacının temel sebepleri vuruntu momenti, moment dalgalanması, kayıplar, maliyet ve verim parametrelerindeki iyileştirmeler olduğu belirlenmiştir.  
Yapılan literatür incelemelerinden sonra motorun moment, akım, devir sayısı, hedef verim değeri gibi başlangıç parametreleri ile birlikte yapılan analitik hesaplamalardan sonra motorun ana boyutları, sarım şeması, stator laminasyon yapısı ve mıknatıs geometrisi belirlenmiştir.  Elde edilen tasarım iki boyutlu olarak 'ANSYS Electronics' yazılımı kullanılarak sonlu elemanlar yöntemiyle motorun elektromanyetik performansı analiz edilmiştir. Ardından ANSYS Workbench programın 'Modal' ve 'Harmonic Response'  modülleri kullanılarak gerçekleştirilen 3 boyutlu sonlu elemanlar analizleri ile doğal ve zorlanmış frekans analizleri yapılarak hava aralığındaki radyal elektromanyetik kuvvetlerin, gürültü ve titreşime etkileri yorumlanmıştır. Bu bağlamda, ele alınan ilk tasarım, vuruntu momenti, momet dalgalanması, verim, gürültü ve titreşim parametrelerinde istenilen seviyelere göre  optimize edilmiştir.

Abstract:
Permanent magnet synchronous motors are widely used in industrial applications, white goods applications and electric vehicles. Due to the better than other motor types for the performance and efficiency terms with gaining more importance increased rapidly and consequently energy efficiency in recent years the need for energy around the world continues to increase studies on permanent magnet motors.
Considering the industrial applications, it can be observed that the usage rate of asynchronous motors is much higher than the permanent magnet synchronous motors. High rate of asynchronous motors are preferred in industrial applications in terms of low production and maintenance costs and direct connection to the grid.
In the near future, it will be necessary to use IE4 efficiency class motors in certain power ranges in efficiency regulations to be made by IEC. In this case, it will be possible to reach these efficiency levels with asynchronous motors only by designing motors with very large volumes. Due to the absence of rotor conductor losses and very low magnet losses in permanent magnet synchronous motors, the efficiency of these motors is high. In addition, due to the high energy of magnets, they can be designed and produced in a way that higher torque can be obtained in much smaller volumes than asynchronous motors.
Noise and vibration parameters in permanent magnet synchronous motors in white goods, electric vehicles and special industrial applications are important for both the life of the motor and its fasteners and environmental health. The force of the radial electromagnetic forces in the air gap of these motors on the stator teeth is one of the biggest noise sources in the motor. High torque ripple and cogging torque cause electromagnetic forces in the air gap to be high harmonic. In particular, studies aimed at reducing this cogging torque and torque ripple have a positive effect on noise and vibration in the motor.
Firstly, studies of permanent magnet synchronous motors in the literature were examined. Looking at these studies, it has been observed that the stator structures are similar in design to each other, and the rotor structures differ according to the magnet shapes and magnet positions. When the design optimizations are examined, it is determined that the main reasons for the optimization need are the cogging torque, torque ripple, losses, improvements in cost and efficiency parameters.
After the literature review, the initial parameters of the motor such as torque, current, speed, target efficiency value were determined. After analytical calculations, the main dimensions of the motor, winding scheme, stator lamination structure and magnet geometry were determined. The electromagnetic performance of the motor was analyzed using the 'ANSYS Electronics' software in two dimensions, using the finite element method. Then, the effects of radial electromagnetic forces on noise and vibration in the air gap were interpreted by performing natural and forced frequency analyzes with 3D finite element analyzes performed using the 'Modal' and 'Harmonic Response' modules of the 'ANSYS Workbench' program. In this context, the first design discussed was optimized according to the desired levels in cogging torque, torque ripple, efficiency, noise and vibration parmeters.