Asenkron motorun çoklu fizik tasarımı
Multiple physics design of induction motor
Yazar: SERHAT DOĞAN
Danışman: PROF. DR. YASEMİN ÖNER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Asenkron motorlar günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır. Kullanım alanları genellikle sanayi tesisleri ile birlikte ev uygulamalarını da kapsamaktadır. Geniş dağılım ağına sahip olduğundan geliştirilmesi, tasarımcılar tarafından her zaman ilgi odağı olmuştur. Tasarlanması planlanan makinenin performans parametrelerinin belirlenmesi için çeşitli yazılımlar kullanılmaktadır. Dolayısıyla kullanılan yazılımlar önem arz etmektedir. Bu tezde genel olarak bir makinanın hangi geliştirme aşamalarından geçtiği vurgulanmıştır. Temel anlamda sırasıyla elektromanyetik, mekanik, termal, harmonik ve stres analizleri ele alınmıştır. Literatür araştırmasında, özellikle elektromanyetik ve termal analiz çeşitlerinin neler olduğu açıklanmıştır. Motor tasarımında uygun olan analiz çeşitleri vurgulanmıştır. Bu tezde, asenkron motorun elektromanyetik ve termal analizleri Sonlu Elemanlar (SE) yöntemi ile yapılmıştır. Bu analizler için sırasıyla Elecronics Desktop ve Ansys Workbench Steady-State Thermal yazılımları kullanılmıştır. Ayrıca harmonik ve stres analizleri için ise sırasıyla Modal ve Static Structural yazılımları kullanılmıştır. Çalışmanın odak noktası termal analiz olarak belirlenmiştir. Çünkü motorda oluşan sıcaklık dağılımı, motor verimini etkilediğinden belirlenen izolasyon sınıfında olması gerekmektedir. Asenkron motorlarda sıcaklık kaynağının sebebi stator ve rotor çekirdeği, stator sargısı ve rotor çubuklarında meydana gelen elektriksel kayıpladır. Bu nedenle elektriksel kayıpların hesaplanması için Electronics Desktop ile elektromanyetik analiz gerçekleştirilmiştir. Ansys Workbench programında, elde edilen kayıplar Steady-State Thermal yazılımına aktarılmış ve motor yapısındaki sıcaklık dağılımı elde edilmiştir. Daha sonra yapısal analiz başlığı altında harmonik ve stres analizleri gerçekleştirilmiştir. Harmonik analiz ile stator yapısında meydana gelen doğal frekanslar saptanmış ve harmoniklerin neden olduğu toplam deformasyonlar elde edilmiştir. Stres analizinde, elektromanyetik analizden elde edilen ortalama moment değeri kullanılarak rotor ve şaft yapısında meydan gelen deformasyon belirlenmiştir. Sonuç olarak bir asenkron motor tasarımının çoklu fizik tasarımı için gerekli olan tüm analizler gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Induction motors are widely used today. Usage areas generally include industrial facilities as well as home applications. Since it has a wide distribution network, its development has always been the focus of attention by designers. Various software are used to determine the performance parameters of the planned machine. Therefore, the software used is important. In this thesis, it is emphasized which development stages a machine goes through in general. In the basic sense, electromagnetic, mechanical, thermal, harmonic and stress analyzes are discussed, respectively. In the literature research, especially the types of electromagnetic and thermal analysis are explained. The types of analysis suitable for motor design are highlighted. In this thesis, electromagnetic and thermal analyzes of induction motor are made by Finite Element (FE) method. For these analyzes, Elecronics Desktop and Ansys Workbench Steady-State Thermal software were used, respectively. In addition, Modal and Static Structural software were used for harmonic and stress analysis, respectively. The focus of the study was determined as thermal analysis. Because the temperature distribution in the motor affects the motor efficiency, it must be in the specified insulation class. The reason for the heat source in induction motors is the electrical losses in the stator and rotor core, stator winding and rotor bars. Therefore, electromagnetic analysis was performed with Electronics Desktop to calculate electrical losses. In the Ansys Workbench program, the losses obtained were transferred to the Steady-State Thermal software and the temperature distribution in the motor structure was obtained. Then, harmonic and stress analyzes were carried out under the title of structural analysis. With the harmonic analysis, the natural frequencies occurring in the stator structure were determined and the total deformations caused by the harmonics were obtained. In the stress analysis, the deformation occurring in the rotor and shaft structure was determined by using the average torque value obtained from the electromagnetic analysis. As a result, all the necessary analyzes for the multi-physics design of an induction motor design have been carried out.