IE4 verim sınıfı şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı senkron motor tasarımı
Design of IE4 efficiency level line start permanent magnet synchronous motor
Yazar: BURCU DURAK GEDİK
Danışman: DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Sürekli mıknatıslı senkron motorlar = Permanent magnet synchronous motors

Özet:
Enerji verimliliği son zamanlarda artan ilgi ile birlikte bugün artık bir dönüm noktasına ulaşmıştır. Gelişmiş ülkelerin tamamında, gelişmekte olan ülkelerin tamamına yakınında ve az gelişmiş ülkelerin bazılarında, verimli kullanılan enerjinin en ucuz enerji kaynağı olması sebebiyle, enerji verimli ürünlerin kullanımı belli bir takvim çerçevesinde zorunlu kılınmış ve teşvikler ile enerji verimli ürünlerin kullanımının yaygın ve sürdürülebilir hale gelmesi amaçlanmıştır. 
Kanun koyucuların enerji verimliliği konusunda attıkları kararlı adımların tasarımdan üretime, sistem çözümlerinden sanayinin her alanına kadar karşılık bulduğu en önemli ürünlerin başında elektrik motorları gelmektedir. Sanayide tüketilen elektrik enerjisinin büyük bir kısmının elektrik motorları tarafından kullanılması nedeniyle bu makinaların verimli hale dönüştürülmeleri enerji regülasyonlarının odak noktalarından biri olmuştur. Bu durum motor üreticilerinin yüksek verimli elektrik motoru tasarımı ve üretimini yol haritalarında ana gündem maddesi olarak ele almalarını sağlamıştır. 
Endüstriyel uygulamalarda kullanılan döner elektrik makinalarına ait verim değerleri ve verim sınıfları IEC tarafından 2008 yılında yayınlanan IEC 60034-30 standardında yer almıştır. Mart 2014'de IEC 60034-30 standardı 60034-30-1 olarak revize edilmiş ve IE4-Süper Çok Yüksek Verim Sınıfı değerleri yayınlanmıştır. Verim sınıflarında çıtanın sürekli yükseltilmesi ile birlikte motor üreticileri yüksek verim değerlerine ulaşmak için farklı motor teknolojileri üzerinde çalışıp farklı motor tiplerini kullanıcıların hizmetine sunmaya başlamışlardır.
Kullanım kolaylığı ve uzun ömürlü olmalarından ötürü asenkron motorlar (IM-Induction Motor) sanayide kullanılan elektrik motorlarının başlıcaları arasında yer almaktadır. Verimli elektrik motoru kavramının uluslararası standartlarca belli bir verim değerine göre tariflenmesi ve sınıflandırılması üzerine asenkron motorlar yüksek verim sınıfı geçişlerinde yerini sürekli mıknatıslı senkron motorlar (PMSM-Permanent Magnet Synchronous Motor) ve senkron relüktans motorlara (SynRM-Synchronous Reluctance Motor) bırakmaya başlamıştır. Bu motor tipleri arasında sürekli mıknatıslı senkron motorların türevlerinden biri olan şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı senkron motorlar (LSPMSM-Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor) elektronik bir sürücüye ihtiyaç duymaması nedeniyle bir adım öne çıkmıştır. 
Bu tez çalışmasında IE3-Çok Yüksek Verim Sınıfı seri üretim bir asenkron motor referans alınarak IE4-Süper Çok Yüksek Verim Sınıfı seviyesinde bir elektrik motoru tasarlanması hedeflenmiş ve motor tipi olarak sabit hız gerektiren uygulamalarda rahatlıkla kullanılabilecek olan şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı senkron motor seçilmiştir. IEC 60034-30-1:2014 standardında 3 kW, 4 kutup, 50 Hz. motorlar için IE3 sınıfı nominal verim değeri %87,7, IE4 sınıfı nominal verim değeri ise %90,4 olarak tanımlanmıştır. 
Şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı senkron motorlar hibrit tip olarak adlandırılabilecek elektrik motorlarındandır. Stator yapıları asenkron motora benzer iken rotor yapıları ise oldukça farklıdır. Bu tip motorlar rotorlarında hem rotor baralarını hem de mıknatıs oluklarını birlikte içermektedir. Rotorunda yer alan bu baralar sayesinde şebekeden doğrudan kalkış yapabilme özelliğine sahip olan bu motorlar kalkış için herhangi bir sürücü devresine ihtiyaç duymamaktadır. 
Tez çalışması süresince IE3 verim seviyesinde muadil asenkron motorun sargılı stator gövdesi kullanılmış sadece rotor baralı ve mıknatıslı rotor laminasyon tasarımı yapılmıştır.  Çalışmanın başında detaylı bir literatür araştırması yapılmıştır. Yapılan çalışmalara bakıldığında IE4 verim seviyesini sağlamak için senkron relüktans motor ya da şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı motor tipi tercih edilmiş ve yine aynı çalışmalarda muadil asenkron motorun stator gövdesi kullanılıp yalnızca rotor tasarımı yapıldığı görülmüştür. Sürekli mıknatıslı senkron motorların türevi olan şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı senkron motorlarda rotorda bulunan mıknatısların farklı konumlarda yerleştirilmesinin performansa olan etkileri incelenmiştir. Ayrıca tasarım süresince dikkat edilmesi gereken noktalardan bahsedilmiştir. 
Şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı senkron motorlarda kalkış ve senkronizasyon, tasarımın en zorlayıcı süreçlerindendir. Motorun kalkış ve senkronizasyon süreçleri ise rotor tasarımı ile doğrudan etkilidir. Bu tip motorlar asenkron motor gibi kalkış yapıp sürekli halde senkron motor olarak çalışmaya devam ederler. Bu nedenle rotor bara tasarımı kalkış için önemli bir etkendir. Uygun rotor bara tipi ile elde edilen asenkron momentin kalkış anında mıknatısların meydana getirdiği mıknatıs frenleme momentini yenmesi ile motor kalkış yapar. Rotor tasarımı sürecinde derin oluklu alüminyum rotor baraları tercih edilmiştir. Mıknatıs dizilimine karar verilirken ise literatür araştırması yapılmış, IE4 motor üreticilerinin şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı senkron motor ürün gamları incelenmiştir. Buna bağlı olarak rotorda kare mıknatıs dizilimi tercih edilmiş ve NdFeB tipi mıknatıslar kullanılmıştır. 
Tasarım ve iki boyutlu elektromanyetik analiz çalışmaları Flux 2D manyetik analiz programı ile gerçekleştirilmiştir. Başlangıçta referans olarak alınan IE3 verim seviyesi asenkron motor modellenmiş ve doğrulanmıştır. Daha sonra rotor baralı ve mıknatıslı rotor laminasyonu tasarımları yapılmış, analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizler süresince farklı mıknatıs boyutları denenmiş ve motorun akım, gerilim, güç faktörü, verim gibi performans parametreleri incelenmiştir. Analizler boyunca motora nominal yük altında kalkış yaptırılıp senkronlanabiliyor olmasına dikkat edilmiştir. Toplamda 5 farklı mıknatıs boyutu denenmiş ve %90,6 verim değeri ile en yüksek verim seviyesine sahip olan ve IE4 verim seviyesini sağlayan 5.tasarımın prototip motora dönüştürülmesine karar verilmiştir.
Prototipleme aşamasında yalnızca yeni tasarımı yapılan rotor laminasyonuna göre rotor çekirdeği hazırlanmış, dağıtılmış sargılı stator gövdesi olarak muadil IE3 verim seviyesi asenkron motorunki kullanılmıştır. Rotor çekirdeği hazırlık sürecinde öncelikle NdFeB tipi mıknatıslar parçalı olarak sipariş edilmiştir. Rotor laminasyonları lazer kesim ile hazırlanmıştır. Rotor laminasyonları dorne ile biraraya getirilmiş ve alüminyum enjeksiyon prosesine hazırlanmıştır. Alüminyum enjeksiyon prosesi sonrası mil çakma işlemi gerçekleştirilmiş ve rotora mıknatıslar yerleştirilmiş, epoksi dökülerek rotorun her iki tarafından sabitlenmiştir. Balanslama işlemleri sonrası motor toplanmış ve prototip motor hazır hale getirilmiştir.
Prototip motorun performans testleri IEC60034-2-1 standardı Bölüm 7'de senkron motorlar için tanımlanan doğrudan ölçüm yöntemine göre yapılmıştır. Bu yönteme göre motorun nominal yük altında giriş ve çıkış gücü değerleri ölçülerek verim değeri hesaplanmaktadır. Performans testleri öncesi motor ısınma testine alınmış, termal kararlılığa ulaştıktan sonra 6 farklı yük noktasında performans testleri gerçekleştirilmiştir. Testler sonucundan prototip motorun nominal yüklenme durumundaki verim değeri %90,2 olarak hesaplanmış ve IE4 verim seviyesini minimum ile nominal değer aralığında sağladığı görülmüştür. Rotorda bulunan mıknatıslardan dolayı prototip motor için ayrıştırılmış kayıp analizi yapılamamış, sadece bakır kayıpları, bakır kaybı formülü ile hesaplanmıştır. Performans testleri sonrasında motorun stator sargılarında endüklenen gerilimin dalga şekline bakılmış ve analizlerdeki ile tutarlı olduğu görülmüştür.
Sonuç bölümünde ise IE4 verim seviyesinde şebeke kalkışlı sürekli mıknatıslı senkron motor tasarımının minimum yatırım ile seri üretim şartlarında kolaylıkla üretilebilecek şekilde doğrulandığı belirtilmiş ve muadil IE3 verim seviyesi asenkron motor ile performans karşılaştırılması yapılmıştır.

Abstract:
Today, it is abviously clear that energy sources are rapidly consumed and the use of energy is increasing seriously. This relationship between use and reserves has led to a dramatic increase in energy costs, together with the need to optimize the use of available resources. Because of these facts, energy efficiency has reached a turning point with increasing interest in recent years. The use of energy efficient products has been enforced in a certain timetable with regulations in all developed countries and most of developing countries.
A large part of electricity is consumed in the industry. The electric energy used in the industry is mostly consumed in electric motors. This has made electric motors one of the important points of energy regulations.
Definitions of energy efficiency in motors are based on the end of 90's in Europe. According to the declaration of the European Committee of Manufacturers of Electrical Machines and Power Electronics (CEMEP) and the European Commission in 1998, electric motors were classified according to their efficiency classes. These classes are low efficiency motors (EFF3) which were not recommended for use in the European Union countries after 2000, efficient motors (EFF2) and increased efficiency motors (EFF1). There was no obligation and regulation related the usage and production of efficient motors. Motor manufacturers' compliance with these efficiency classes and their declaration were based on volunteerism.
The first steps on efficiency in electric motors were laid by the publication of the efficiency test standard (IEC 60034-2-1:2007 and IEC 60034-2-1:2014), which describes how the motor efficiency should be tested and calculated. Afterwards, another IEC standard (IEC 60034-30:2008 and IEC 60034-30-1:2014), which describes the motor efficiency values according to power and speed, published.
The basis for the development of standards is based on the principle of increasing the efficiency level and expanding the scope. When the IEC 60034-30 standard was first published in 2008, IE3 efficiency class was the highest efficiency class that had the efficiency values. By revision of standard in 2014, IE4 efficiency values have been added. With the addition of IE4 efficiency values, motor manufacturers have had to review their road maps. It is necessary to use different design methods and work on different motor technologies to achieve high efficiency values.
Induction motors (IM) are highly preferred in the industrial arena due to their many advantages such as their ease of use and long life. However, it has not been easy for induction motors to achieve these efficiency values in the permitted mechanical dimensions after description of high efficiency values in IE4. With this fact, different
accepted more in the long run, PMSM and SynRM, are compared with each other according to their advantages and may be proposed for different applications accordingly. Among these motor types, line start permanent magnet synchronous motors (LSPMSM), one of the derivatives of permanent magnet synchronous motors, have taken a step forward because they do not need an electronic driver.
The aim of this thesis study is designing a 3 kW, 4p, IE4 LSPMSM according to IEC 60034-30-1:2014. The motor supply voltage is 400 V by star connection and the motor frequency is 50 Hz. The aimed efficiency value is 90,4% according to the IEC standard. One of the distinguishing features of this study is achieving IE4 efficiency value with only a new rotor design without changing the existing IE3 induction motor stator lamination design.
Firstly, a detailed literature search was conducted at the beginning of the study. LSPMSM are a kind of hybrid motors that contain both magnets and aluminum bars in the rotor. Because the magnets are embedded in rotor, the mechanical strength and reliability of LSPMSM are good when comparing to other types of PMSM. Besides, the production process is more complicated and difficult than the asynchronous motors or other synchronous motors. Because of two active material, aluminium and magnet, process definitions and process order more critical in serial production conditions. It is seen that there are mainly two subjects which studies are mostly done. These topics are the position of magnets and the shapes of aluminium slots. It has been seen that the same stator lamination design has been used in some studies.
Achieving a succesfull start-up characteristic and synchronization under load is one of the most challenging process during the design of LSPMSM. This feature is directly influenced by the rotor design. LSPMSM start-up characteristic is like an induction motor. After start-up period they operate as synchronous motor. One of the most important ways of achieving a succesfull start-up is through rotor slot design. Thanks to the appropriate slot design, the braking moment created by the magnets during starting is overcome. For that purpose, deep grooved aluminum rotor bars are preferred in this design. Magnet arrangement, which is another important design criteria, has been decided after literature investigations and motor benchmarking. After that, rectangular magnet array and NdFeB magnet type has been choosen.
Design and two-dimensional electromagnetic analysis were carried out with Flux 2D magnetic analysis program. The IE3 efficient asynchronous motor, initially taken as a reference, has been modeled and verified. Because of using the same stator lamination, design of rotor lamination were carried out. Rotor slots, array and size of magnet were designed and analyzed. During these analyzes, different magnet sizes were studied and performance parameters such as motor current, power factor and efficiency were examined. Besides these performance parameters, start-up characteristic of the motors and synchronization behaviors under nominal load compared. After analyzing of five different magnet sizes, one of them which had the highest efficiency level of 90.6% was choosen for prototyping.
In the prototyping phase, NdFeB type magnets had been ordered firstly. Rotor laminations were prepared by laser cutting. Because of two active material (aluminium and magnet) in the rotor, production processes had been decided according to serial production conditions. First of all, aluminium injection were applied to the sequenced
rotor laminations and die cast rotor core prepared. Secondly, rotor shaft was placed into the rotor core. Lastly, magnets were placed in the rotor and the surfaces of the magnets on both sides was covered by epoxy. It is obvious that magnetized NdFeB should be used due to presence of aluminium slots. After the balancing process, the motor assembly was done by using the same wound stator of IE3 efficient asynchronous motor.
The related test of prototype motor such as performance and efficiency test was performed according to IEC 60034-2-1, Section 7. According to this method, the input and output powers of the motor under the nominal load are measured. The output value is calculated by dividing the output power by the input power. This method is called as direct measurement method and recommended for synchronous motors. In order to determine the efficiency value of the motor, it is firstly required to operate at the nominal load until reaching the thermal stability. After reaching the thermal regime, the motor is loaded to six different load values and basic parameters such as current, speed, input power are measured. Thus, performance test is conducted. After tested in this way, the efficiency value of the prototype motor was calculated as 90,2% which is in tolerance of IE4 efficiency class.
After the performance tests, the induced voltage in the stator windings of the motor was seen in waveform by oscilloscope. Wave shapes are consistent with the results of the analysis.
At the end, a motor prototype which achieves the desired IE4 efficiency level and which can be started and synchronized under load is obtained. One of the most important advantages of this design is that it uses the same wound stator as IE3 efficient asynchronous motor. It should be underlined that the prototype was produced with processes which is fully proper serial production conditions.