Şebeke kalkışlı bir senkron relüktans motorun sonlu elemanlar analizi tabanlı en uygunlaştırılması ve işletme başarımının tespiti
Finite element analysis based optimization of a linestart synchronous reluctance motor and determination of operational performance
Yazar: BURAK GÜLMEZ
Danışman: DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Relüktans motorları = Reluctance motors ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis

Özet:
Günümüzde enerji verimliliği azalan enerji kaynakları nedeniyle oldukça önemli bir 
hal almıştır. Üretilen elektrik enerjisinin yarısına yakın bir bölümü elektrik motorları 
üzerinde harcanmaktadır. Asenkron motorun endüstride en çok kullanılan motor 
olmasından dolayı alternatif ve daha verimli elektrik motorlarının geliştirilmesi önemli 
bir araştırma konusudur.
Asenkron motora önemli bir alternatif olabilecek şebeke kalkışlı motorlardan biri 
şebeke kalkışlı senkron relüktans motordur. Normalde kendi kendine kalkış 
yapamayan senkron relüktans motorun rotoruna eklenen sincap kafes yapısı bu motora 
kendi kendine kalkış yapabilme özelliğini kazandırır. Rotorunda sincap kafes yapısına 
sahip senkron relüktans motorlar şebeke kalkışlı senkron relüktans motor olarak 
adlandırılır ve kendi kendilerine yol alabilme becerisine sahiptir.
Şebeke kalkışlı senkron relüktans motorların rotorundaki sincap kafes yapısı bakır 
kayıpları yaratır ancak bu kayıplar sadece kalkış sırasında devrededir ve rotor senkron 
hıza ulaşılıdığında rotor kayıpları ortadan kalkar. Bu sayede şebeke kalkışlı senkron 
relüktans motor denk bir asenkron motora göre daha verimli olabilir.
Şebeke kalkışlı senkron relüktans motorların senkron hızda ürettiği elektromanyetik 
moment relüktans momentidir. Bu moment, şebeke kalkışlı senkron relüktans 
motorların relüktans anlamında asimetriye sahip rotor yapıları nedeniyle oluşmaktadır. 
Stator sargılarının yarattığı dönen manyetik alan rotor eksenlerindeki relüktans 
farkının neticesi olarak moment üretir.
Bu tez kapsamında seçilen bir asenkron motorun statorunun geometrik ve elektriksel 
parametreleri temel alınarak şebeke kalkışlı senkron relüktans motor tasarımı ve en 
uygunlaştırılması gerçekleştirilmiştir. Motor başarımının arttırılabilmesi için rotordaki 
akı bariyerlerinin geometrik değişkenleri tanımlanmış ve bu büyüklükler üzerinden en 
uygunlaştırma süreci tamamlanmıştır.
Gerçekleştirilen tasarım sürecinin başında referans asenkron motorun rotorundan rotor 
tasarım parametrelerinin ilk değerleri atanarak türetilen referans bir şebeke kalkışlı 
senkron relüktans motor rotor yapısı belirlenmiştir. Bu yapı belirlenirken referans 
asenkron motordaki derin oluklu rotor yapısının şebeke kalkışlı senkron relüktans 
motorun yüksek başarımı için elverişsiz olduğu görülmüştür. Bu nedenle şebeke 
kalkışlı senkron relüktans motorda da bulunacak olan referans asenkron motorun rotor 
olukları, sonradan yerleştirilen akı bariyerlerinin relüktans anlamında en yüksek 
asimetreyi sağlaması için en az oranda değiştirilmiştir.
xxi
Şebeke kalkışlı senkron relüktans motor tasarımı belirlenen referansı üzerinden 
gerçekleştirilmiştir. Tasarım süresince rotor tasarım parametrelerinin motor 
başarımına etkisi karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Her rotor tasarım parametresi 
için en uygun değer seçilerek ilkesel olarak aşamalı bir tasarım süreci 
gerçekleştirilmiştir.
Yapılan tasarım sonucunda referans şebeke kalkışlı senkron relüktans motora ve
referans asenkron motora göre daha yüksek verime sahip bir şebeke kalkışlı senkron 
relüktans motor ortaya konmuştur. Elde edilen tasarım ile referans asenkron motorun
başarım kriterleri karşılaştırılmıştır.
Bu çalışma sonucunda elde edilen yeni tasarım şebeke kalkışlı senkron relüktans motor 
için farklı yükler ve eşdeğer ataletler için yol alma analizleri gerçekleştirilmiştir. 
Yapılan analizler sonucunda yükün hız-moment karakteristiğine bağlı olarak 
senkronizasyonun sağlanabileceği en büyük eşdeğer ataletin belirlenmesi için 
yaklaşımda bulunulmuştur. Gerçekleştirilen tasarımın referans asenkron motora 
kıyasla daha verimli olmasına karşın yol alma becerisinin kısıtlı yük karakteristikleri 
için uygun olabileceği görülmüştür.
Sonuç olarak, bu tez çalışmasında muadil bir kafesli asenkron motordan yola çıkılarak
şebeke kalkışlı bir senkron relüktans motor tasarımı yapılmış ve sonlu elemanlar 
analizi tabanlı en uygunlaştırma yapılmıştır. Elde edilen nihai tasarımın kalkış 
başarımı irdelenerek motor ve yükün beraber kalkış başarımı ve senkronlanabilme 
becerisi incelenmiş, sonuçlar karşılaştırmalı olarak sunulmuştur.

Abstract:
Today, energy efficiency has become very important due to decreasing energy 
resources. Nearly half of the electricity produced is consumed by electric motors. Since 
the induction motor is the most widely used motor in industry, the development of 
alternative and more efficient electric motors is an important research topic.
Line start synchronous reluctance motor is one of the significant line start motor that 
can be an alternative to the induction motor. With the squirrel cage structure added to 
the rotor structure of the synchronous reluctance motor, which normally cannot start 
by itself, gives this motor the ability to start by itself. Synchronous reluctance motors 
with a squirrel cage structure in their rotor are called line start synchronous reluctance 
motors and have the ability to start by themselves.
The squirrel cage structure in the rotor of line start synchronous reluctance motors 
produces copper losses in the rotor, but these losses are active only during starting and 
eliminates when the rotor reaches synchronous speed. In this way, a line start 
synchronous reluctance motor can be more efficient than an equivalent induction 
motor.
The electromagnetic torque produced by a line start synchronous reluctance motors at 
synchronous speed is the reluctance torque. This torque occurs due to the rotor 
structure which has an asymmetry in terms of reluctance. The rotating magnetic field 
created by the stator windings produces torque as a result of the reluctance difference 
in the rotor axes.
In this thesis, based on geometric and electrical parameters of the stator of an induction 
motor, a line start synchronous reluctance motor design and optimization is achieved.
In order to increase the performance of the motor, the geometric variables of the flux 
barriers in the rotor are defined and the optimization process is achieved according to 
these variables.
At the beginning of the design process, a reference line start synchronous reluctance 
motor rotor structure is determined, which was derived from the rotor of the reference 
induction motor by assigning the initial values of the rotor design parameters. While 
determining this structure, it is observed that the deep rotor slots in the reference 
induction motor is unsuitable for the high performance line start synchronous 
reluctance motor. For this reason, the rotor slots of the reference induction motor, 
which are also found in line start synchronous reluctance motor, is changed with 
minimum rate in order to place the flux barriers to provide the highest asymmetry in 
terms of reluctance.
Line start synchronous reluctance motor design is achieved over the specified 
reference. During the design, the effect of rotor design parameters on motor 
xxiii
performance is investigated comparatively. In principle, a step by step design is 
achieved by choosing the most appropriate value for each rotor design parameter.
As a result of the design, a line start synchronous reluctance motor with higher 
efficiency compared to the reference line start synchronous reluctance motor and 
reference induction motor is presented. The performance criterias of the obtained 
design and the reference induction motor are compared.
Line start analyzes are achieved for different loads and equivalent inertias for the line 
start synchronous reluctance motor which design is presented. As a result of the 
analyzes, an approximation was made for the maximum equivalent inertia that 
synchronization can be achieved depending on the speed-torque characteristic of the 
load. Although the new design is more efficient than the reference induction motor, it 
is observed that the starting ability is suitable for limited load characteristics.
As a result, in this thesis, a line start synchronous reluctance motor is designed based 
on an equivalent squirrel cage induction motor and optimization based on finite 
element analysis is achieved. By analyzing the line start performance of the designed 
motor, the starting performance and synchronization ability of the motor and the load 
is examined and results are presented comparatively.