Otomatik takım değiştirici uygulamaları için sabit mıknatıslı senkron motorun optimizasyonu ve üretimi
Optimization and production of a permanent magnet synchronous motor for automatic tool changer applications
Yazar: İSMAİL ÖYLEK
Danışman: PROF. DR. METİN VARAN
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Elektrik makineleri = Electric machinery ; Metasezgisel algoritmalar = Metaheuristic algorithms ; Optimizasyon = Optimization ; Optimizasyon problemi = Optimization problem ; Optimizasyon teknikleri = Optimization techniques ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method

Özet:
Elektrik enerjisinin üretimi, iletimi ve kullanımı aşamalarında karşımıza çıkan elektrik makinaları, günümüzün vazgeçilmez teknolojileri arasındadır ve 19. yüzyıldan bu yana insanoğlunun hizmetindedir. Jeneratör, transformatör ve motor gibi farklı tasarımlarda üretilen bu makinaların büyük çoğunluğu, kullanım amacına bağlı olarak endüstriyel süreçlerde tercih edilmektedir. Elektrik enerjisini hareket enerjisine dönüştüren motorlar, enerji türü, ürettiği hareket tipi ve tasarımsal özelliklerine göre çeşitli gruplara ayrılmaktadır. Sabit mıknatıslı senkron motorlar (SMSM), senkron çalışma prensibine sahip ve fırçasız olarak üretilen makinalar grubunda yer almaktadır. Yüksek verim ve güç yoğunluklarına ulaşabilen SMSM tipi motorlar, geleneksel asenkron motorlardan farklı olarak rotorlarında sabit mıknatıslar içermektedir. Bu özellikleri sayesinde birim hacimde daha yüksek güç yoğunluğuna, küçültülmüş boyuta ve daha düşük kayıp değerlerine sahip olacak şekilde tasarlanabilirler. Tüm elektrik makinaları bakır kayıpları, histerezis ve girdap akım kayıpları, mekanik kayıplar ve kaçak kayıpları gibi doğal kayıplara sahiptir. Dünya genelinde üretilen elektrik enerjisinin büyük bir kısmını elektrik motorları tükettiği için bu makinaların düşük verimle çalışmaları durumunda harcanan fazladan enerji miktarı kümülatif olarak ciddi boyutlara ulaşabilmektedir. SMSM tipi motorlar da diğer elektrik makinaları gibi verim, maliyet, boyut, tork yoğunluğu gibi nitelikleri üzerinden optimizasyon çalışmalarına konu edilebilmektedir. Literatürdeki çalışmalar incelendiğinde, genel olarak elektrik makinaları alanında ve SMSM tipi motorlar özelinde klasik optimizasyon teknikleri veya doğadan esinlenen sezgisel tekniklere dayalı olarak tek amaçlı ve çok amaçlı optimizasyon yöntemleri kullanılarak yapılmış çalışmalar görülmektedir. Bu tez çalışmasında ilk olarak CNC tezgahlarında takım değiştirici olarak kullanılan 0.55kW gücündeki üç fazlı SMSM türü bir servo motorun tasarım parametreleri hassasiyet analizi ile incelenerek motor verimi üzerinde en etkili olanlar tespit edilmiştir. Sonrasında sırasıyla analitik yöntemler, klasik teknikler ve doğadan esinlenen sezgisel yöntemleri içeren algoritmalar kullanılarak verim optimizasyonu işlemleri uygulanmıştır. Hem klasik yöntemler hem de yapay zekâ temelli sezgisel algoritmalar sonlu elemanlar analizi yöntemi (SEY) ile desteklenmiştir. Optimizasyon süreci sonrasında modelin prototipi üretilerek deneysel test düzeneği ile analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, başlangıç tasarımına göre motorda anlamlı bir verim artışı sağlandığını göstermiştir.

Abstract:
Electrical machines, which are encountered in the stages of generation, transmission and utilization of electrical energy, are among the indispensable technologies of today and have been in the service of mankind since the 19th century. The majority of these machines, which are produced in different designs such as generators, transformers and motors, are preferred in industrial processes depending on their intended use. Motors that convert electrical energy into motion energy are divided into various groups according to the type of energy, the type of motion it produces and its design features. Permanent magnet synchronous motors (SMSM) are a group of brushless machines with synchronous operating principle. SMSM type motors, which can reach high efficiency and power densities, contain permanent magnets in their rotors unlike conventional asynchronous motors. This allows them to be designed for higher power density, reduced size and lower losses per unit volume. All electrical machines have inherent losses such as copper losses, hysteresis and eddy current losses, mechanical losses and leakage losses. Since electric motors consume most of the electrical energy generated worldwide, the cumulative amount of extra energy consumed can be significant if these machines operate with low efficiency. Like other electric machines, SMSM type motors can also be subject to optimization studies based on their efficiency, cost, size, torque density, etc. When the studies in the literature are examined, it is seen that there are studies in the field of electrical machines in general and SMSM type motors in particular, using single-objective and multi-objective optimization methods based on classical optimization techniques or nature-inspired heuristic techniques. In this thesis, firstly, the design parameters of a three-phase SMSM type servo motor with a power of 0.55kW, which is used as a tool changer in CNC machines, were analyzed by sensitivity analysis and the most effective ones on the motor efficiency were determined. Then, efficiency optimization processes were applied using algorithms including analytical methods, classical techniques and nature-inspired heuristics, respectively. Both classical methods and artificial intelligence-based heuristic algorithms were supported by finite element analysis (FEA). After the optimization process, a prototype of the model was produced and analyzed with an experimental test setup. The obtained results showed that a significant efficiency increase was achieved in the engine compared to the initial design.