Servo motorlarda farklı mıknatıs geometrileri ile moment dalgalanmasının incelenmesi
Investigation of torque ripple in servo motors with different magnet geometries
Yazar: HACI DEDECAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ENGİN AYÇİÇEK ; ÖĞR. GÖR. MUSTAFA GÜRKAN AYDENİZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Sürekli mıknatıslı senkron motorlar = Permanent magnet synchronous motors

Özet:
Servo motorlar, sürekli mıknatıslı senkron motorların (SMSM) verimli ve hassas performans sağlayan ürünlerinden birisidir. Sürekli mıknatıslı senkron motorlar; yüksek güç yoğunluğu, sessiz çalışma, bakım gerektirmeme ve geniş çalışma hızı aralığı avantajları ile AC motorlar arasında öne çıkmaktadır. Bu sebeple ulaşım, sağlık, robotik, üretim ve savunma sektörlerinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.
SMSM kullanımının dezavantajları da vardır. Bunların başında, SMSM'nin veya servo motorların güç elektroniği ve kontrol teknolojilerine (motor sürücüsüne) ihtiyaç duyması gelmektedir. Ancak bu alanda dünyadaki gelişmeler, SMSM'lerin standart motor olarak kabul edilmesine katkı sağlamaktadır. Bu çalışmanın da konusu olan diğer bir dezavantaj ise, moment dalgalanmasının SMSM'lerde veya servo motorlarda yüksek olmasıdır.
Servo motorların tasarımı uygulamanın beklentisine göre gerçekleştirilmelidir. Hassasiyet isteyen uygulamalarda moment dalgalanması kritik öneme sahiptir. Çünkü momentin dalgalanması, çalışma performansını etkilemekle birlikte titreşim ve gürültü problemlerine de sebep olabilmektedir.
Bu çalışmada, servo motorların moment dalgalanması, sonlu elemanlar yöntemi (FEM) ile farklı tasarım ve analizler gerçekleştirilerek incelenmiştir. Servo motorların moment dalgalanması, nominal ve maksimum yükleme durumları için incelenmiş ve değerlendirilmiştir. Ayrıca moment dalgalanması ile birlikte maliyet, vuruntu momenti, verim ve diğer performans kriterleri de incelenerek değerlendirilmiştir.
Çalışma kapsamında, ANSYS yazılımı kullanılarak referans bir servo motor için modelleme ve analiz çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Referans motorun stator yapısı tamamen aynı kalacak şekilde sadece rotor yapısında değişiklikler yapılmıştır. Yüzey montajlı mıknatısa (SPM) sahip olan referans servo motorun, mıknatıs genişliği (magnet embrace) ve mıknatıs yüzey öteleme (magnet offset) parametreleri değiştirilerek alternatif tasarımlar elde edilmiştir. Bu tasarımların, referans motorla benzer şekilde FEM analizleri gerçekleştirilmiştir. Böylece referans servo motorla karşılaştırılacak performans sonuçları elde edilmiştir.
Yapılan çalışmalarda, moment dalgalanmasının iyileştirilebildiği gözlenmiştir. Ancak iyileşme miktarına bağlı olarak performans kayıpları oluşabilmektedir. Dolayısıyla servo motorun kullanılacağı uygulamaya göre ilgili tasarım seçilmelidir. Moment dalgalanmasının çok düşük olması istenen uygulamalarda verim, moment, akım ve ısınma gibi temel performans kriterlerinden taviz verilmesi gerekebilir.

Abstract:
Servo motors are among the products that provide efficient and precise performance in the category of Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSMs). PMSMs stand out among AC motors due to their high power density, quiet operation, no-maintenance, and wide operating speed range. Consequently, they find extensive use in transportation, healthcare, robotics, manufacturing, and defense sectors.
However, the use of PMSMs has its disadvantages. Foremost among these is their reliance on power electronics and control technologies (motor drives). Despite this requirement, advancements in the field contribute to the widespread acceptance of PMSMs as standard motors. Another significant disadvantage, explored in this study, is the high torque ripple present in PMSMs or servo motors.
The design of servo motors must align with the expectations of the application. In applications requiring precision, torque ripple becomes critically important as it not only affects operational performance but can also lead to vibration and noise issues.
This study focuses on investigating torque ripple in servo motors through various designs and analyses using the Finite Element Method (FEM). Torque ripple is examined and evaluated under nominal and maximum load conditions. Additionally, alongside torque ripple, factors such as cost, cogging torque, efficiency, and other performance criteria are studied and evaluated.
Within the scope of this research, modeling and analysis were conducted using ANSYS software for a reference servo motor. Changes were made to the rotor structure while keeping the stator structure identical. Alternative designs were obtained by modifying parameters such as magnet embrace and magnet offset for a surface-mounted permanent magnet (SPM) reference servo motor. These designs performed FEM analyses similar to those conducted on the reference motor, allowing for performance comparisons.
The findings indicate that torque ripple can be mitigated through specific modifications. However, the extent of improvement may lead to trade-offs in performance metrics. Therefore, the selection of the appropriate design should be tailored to the specific application where the servo motor will be used. In applications demanding very low torque ripple, compromises may need to be made in fundamental performance criteria such as efficiency, torque, current, and heating.