Kompresör uygulaması için sürekli mıknatıslı senkron motor tasarımı
Permanent magnet synchronous motor design for compressor application
Yazar: SERHAT GÜNERİ
Danışman: DOÇ. DR. GÜVEN KÖMÜRGÖZ KIRIŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Beyaz eşya uygulamalarında kullanılan elektrik motorlarının verimliliğine ilişkin yönetmelik ve standartlar sürekli olarak değişmektedir. Her geçen gün daha da kritik bir durum haline gelen enerji verimliliği günümüzün en güncel konularından birisidir. Dünya pazarındaki rekabetçi ortam ele alındığında şirketlerin yatırım bütçelerinin önemli bir kısmını bu husus için harcadıkları görülmektedir. Performans ve verim açısından bakıldığında sürekli mıknatısların kullanıldığı motor teknolojilerinin günümüzün en popüler konularından birisi konumuna geldiği kolaylıkla söylenebilir.
Buzdolabı kompresör uygulamalarına bakıldığında hala yaygın olarak bir faz asenkron motor kullanıldığı görülmektedir. Bu motorlar herhangi bir sürücü kartı olmadan direkt olarak şebekeden beslenerek sabit bir hızda çalışmaktadır. Sabit hızda çalışıyor olması sistem performansı açısından bir dezavantaj olarak bilinmektedir. Çünkü motor belli bir süreden sonra çalışmasını keser. Buzdolabı soğutma kapasitesi düştüğü anda ise motor tekrardan çalışmaya başlar. Yeniden çalışmaya geçtiği anda şebekeden çekilen akım yüksek olur ve bu tüketim açısından istenmeyen bir durumdur. Bütün bunlar göz önünde bulundurulduğunda güç elektroniği motor kontrol devreleri ile kolayca farklı hızlarda kontrol edilebilen sürekli mıknatıslı motorlar buzdolabı uygulamaları için popüler hale gelmiştir.
Sürekli mıknatıslı senkron motorlar birim hacimden alının yüksek moment, yüksek hızlara çıkabilme, düşük hızlarda kolayca kontrol edilebilme, sessiz çalışma yapabilme, yüksek verim ve boyutsal avantajları sayesinde kompresör uygulamaları için cazip hale gelmiştir. Özellikle manyetik malzeme ve mıknatıs teknolojisindeki ilerlemeler ile maliyetlerin giderek düşmesi beyaz eşya uygulamalarında bu motorları tercih sebebi yapmıştır.
İlk olarak literatürde yer alan sürekli mıknatıslı motorlara ilişkin tasarım çalışmaları çok detaylı bir biçimde incelenmiştir. Yapılan akademik çalışmalara bakıldığında tasarım anlamında stator ve rotor kısmı için çok farklı durumların incelendiği görülmüştür. Yapılan her bir tasarım iyileştirmesinin altında yatan temel sebeplerin vuruntu momenti, moment dalgalılığı ve kayıpların minimize edilmeye çalışıldığının altının çizildiği anlaşılmıştır. Stator tarafı için uygun oluk/kutup seçiminin, sargıların oluklara yerleştirilmesinin, kaykı vermenin, uygun oluk açıklığı belirlenmesinin iyi bir tasarım için olmazsa olmaz parametreler olduğu görülmüştür. Rotor tarafında ise uygun mıknatıs yay açısı tayin etmenin, mıknatısların kenarlarında gerçekleştirilen farklı tasarım modellerinin, mıknatıs kaykı ve segmentasyonun daha kaliteli bir çıkış momenti elde edilmesindeki önemi birçok çalışmada ayrı ayrı ele alınmıştır. Tüm bu kriterlerden yola çıkarak motor tasarım aşamaları yürütülmüştür.
Yapılan ön çalışmadan sonra tasarlanacak olan modele ilişkin isterler belirlenmiştir. Motorun hız-moment eğrisi, motoru sürecek olan maksimum akım değeri gibi değişkenler belirlendikten sonra referans olarak seçilen modelin bilgisayar ortamında iki boyutlu sonlu eleman analizleri gerçekleştirilmiştir. Referans olarak seçilen motor altı oluk dört kutuplu, yüzey mıknatıslı bir fırçasız doğru akım motorudur. Analiz çıktıları olarak bu motora ilişin vuruntu momenti, zıt-EMK, çıkış momenti, bakır ve demir kayıpları, moment dalgalılığı değerleri grafik ve tablo çıktısı olarak yer almıştır. Trapezoidal bir zıt-EMK'ya sahip olan bu motor kare dalga akımı ile sürülmüştür. İki boyutlu sonlu eleman analizi gerçekleştirildikten sonra referans motora ilişikin üç boyut sonlu eleman analizleri de bilgisayar ortamında gerçekleştirilmiştir. Mıknatısların stator paket boyundan beş milimetre daha uzun olmasının etkileri üç boyutlu analiz ile net bir biçimde çalışma sonunda görülmüştür.
Referans modele ilişkin çalışmalar tamamlandıktan sonra alternatif motor tasarım süreci başlamıştır. İlk olarak bu motora ilişkin uygun oluk/kutup konfigürasyonu belirlenmiştir. Daha sonra ise bu motorun referans modelde olduğu gibi yüzey mıknatıslı olarak tasarlanacağına karar verilmiştir. Tasarım detayları belirlenen motora ilişkin yapılan ilk çalışma manyetik eş değer devre tabanlı analitik çözüm yapan Speed® programında gerçekleştirilmiştir. Speed® ortamında modeli oluşturulan ve istenilen hız-moment değerlerine çıkabilen motora ilişkin çıktılar incelendiğinde trapezoidal bir zıt-EMK'ya sahip olduğu görülmüştür. Ancak bu tez kapsamında sinüzoidal bir zıt-EMK'ya sahip motor tasarımının gerçekleştirileceği tezin amacı olarak belirlenmiştir. Bu yüzden daha sonraki tasarım ve değişiklik süreçleri sonlu elemanlar analizi gerçekleştirilen ANSYS Maxwell® programında iki boyutlu ve üç boyutlu olarak tamamlanmıştır. Literatür çalışmalarında sıklıkla rastlanılan yöntemlerden birisi olan pah kırma işlemi klasik tipteki yüzey mıknatıslı yapı ile parametrik olarak çalışılarak en uygun mıknatıs yapısı belirlenmiştir. Stator tarafında ise toplam harmonik bozulmayı minimum şekilde verecek olan kesirli oluk çift tabakalı sargı yapısı kullanılmıştır. İki boyutlu motor tasarım aşamaları sona erdikten sonra vuruntu momenti, zıt-EMK, çıkış momenti ve motor kayıpları incelenmiş ve sonuçlar değerlendirilmiştir. İki boyutlu analiz çalışmaları tamamlandıktan sonra alternarif motor tasarımı üç boyutlu olarak ele alınmıştır. Rotor paketi ve mıknatısların stator paketinden dört milimetre uzun olmasının etkisi üç boyutlu analiz sonucunda daha iyi bir şekilde görülmüştür. Üç boyutlu analizler sonucunda zıt-EMK değerinin tepeden tepeye daha yüksek olduğu, çıkış momentinin de aynı akım değeri ile sürülmesiyle daha yüksek olduğu ortaya konmuştur.
Tamamlanan analiz çalışmalarından sonra referans olarak ele alınan model ile alternatif motor tasarımı 3D analiz sonuçlarına göre karşılaştırılmıştır. İlk olarak vuruntu momenti karşılaştırılan motorlardan alternatif olarak tasarımı gerçekleştirilen SMSM'un daha iyi olduğu görülmüştür. Hava aralığı momenti analizleri sonucunda referans motor modelinin moment dalgalılığının oldukça yüksek olduğu sonucuna varılmıştır. Bu değer referans model için %57 seviyesindeyken alternatif motor tasarımı için %10 olarak elde edilmiştir. Moment kalitesi anlamında alternatif olarak tasarlanan motorun daha iyi bir tasarım olduğu ortaya konmuştur. Gerilim harmonikleri incelendiğinde de alternatif olarak tasarlanan motorun harmonik distorsiyon seviyesinin %1'in altında olduğu görülmüştür. Verim olarak ise alternatif motor referans motora göre %2-3 daha iyi durumda olduğu çalışma sonucu olarak verilmiştir.
Tasarımı tamamlanan motorun prototip aşamasına gidilmiştir. Motora ilişkin laminasyon ve mıknatıs çizimleri teknik resim olarak hazırlanmıştır. Motorda kullanılan mıknatıslar paralel olarak şoklanmıştır. Motor malzeme teminleri gerçekleştirildikten sonra motor toplanmış ve test için hazır hale getirilmiştir. Üretilen motorun laboratuvar ortamında testleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen deneysel veriler ile analiz çıktıları karşılaştırılmıştır. Zıt-EMK, moment ve güç ölçümleri test ortamında alınan motorun 3D analiz sonuçlar ile yakın sonuçlar verdiği çalışma sonucunda görülmüştür.
Tez çalışmasının sonuç bölümünde iyi bir tasarım süreci ile motor boyutlarının ve kullanılan malzeme miktarlarının azaltıldığı, daha küçük ve daha kompakt, verim anlamında daha üst noktalarda olan ve moment kalitesinin daha yüksek olduğu bir motor ortaya konduğunun altı çizilmiştir.

Abstract:
Regulations and standards related to motor efficiency used in white good applications are continuously changing. Energy efficiency is one of the most current topics in present day and has even become more critical day by day. It can be seen that the global companies are spending a significant portion of the capital budget for energy efficiency purpose taking into consideration the competitive world market. The permanent magnet used in motor technology in terms of performance and efficiency comes into prominence in today's world.
Considering the compressor applications, one phase induction motors are being used in a widespread manner. These types of motors directly fed from the alternative current network without any motor drive are working at a constant speed. To be operating at a constant speed is known as an enormous disadvantage with reference to the compressor system performance. The motor interrupts the operation after a certain time. When the refrigerant cooling capacity decreases the rated value, motor runs again. The starting current is high value when the motor operating is in an undesirable situation with regard to energy consumption. By taking all these parameters into consideration, permanent magnet motors can be easily controlled by the power electronics motor drive circuits and are becoming more popular for refrigerator applications from day to day.
Permanent magnet synchronous motors become attractive for refrigerant compressor applications have much precedence such as high torque value per unit volume, to be controlled easily at low speeds, to be able to rise to the high speed, low decibel value, high efficiency, compact structure etc. Particularly, the advances of the magnetic materials and the magnet technology, bringing down the cost of manufacturing and improvement in power electronics are the reason for preference for white good applications.
To begin with, many academic studies in the literature detailed scrutinized about the permanent magnet motors. Electrical motors consist of rotor and stator parts. When analyzed the academic researches, it is seen that there are two main points about the design consideration related to stator and rotor. Each reason concerned the design improvements are to set to zero the cogging torque value, to reduce the torque ripple and the minimization of losses. Choosing a proper match of slots and poles number, skewing armature lamination, selecting the width of slot opening, teeth notching and pairing and the proper winding layout are the design parameters for stator part. Selecting a proper pole arc to pole pitch ratio, magnet skewing, magnet segmentation, changing the magnet profile could be applied for the rotor design improving. The motor design was completed in the light of these design criteria.
Requirements regarding a motor model were determined after the preparatory work. The speed-torque curve of the motor, maximum current value, power value etc. were specified in the beginning of the thesis project. Hereupon, the reference model was chosen and its two dimensional finite element analysis (FEA) was solved by software program. This motor has six slots and four poles and magnets were mounted onto the rotor surface. It is typically brushless direct current (BLDC) motor and has a trapezoidal back-electoromotor force (back-EMF), driving by the trapezoidal pulse current. Cogging torque, back-EMF peak-to-peak values, torque output, motor losses were given as graphics and tables after the analysis studying. After two dimensional solution, reference model was also prepared for three dimensional analysis. The length of magnet and rotor stacks are five milimeters longer than the stator stacks. The aim of three dimensional analysis is to see the effect of length of magnets. The peak value of back-EMF and the average electromagnetic torque is higher than the two dimensional anaylsis result.
The alternative motor design process was started after the completion of the reference model analysis. Firstly, the proper slots and poles configuration were chosen for the permanent magnet motor. After that, the pole type was selected as a surface mounted. The first modeling process was made by using the software program, named as Speed®, which uses the magnetic equivalent circuit model based on the analytical solution. Then, the model was solved and the results were handled. At the first stage, back-EMF of the motor was attracted notice. It is seen that the back-EMF had trapezoidal wave shape. Since, the purpose of this thesis is to design the motor having a sinusoidal back-EMF waveform. For that reason, next step of the design and changing phases were done by using FEA program ANSYS Maxwell®. It is possible to design the motor having a sinusoidal back-EMF wave shape thanks to the changing of the magnet profile. This procedure is known chamfering operation considering the manufacturing process. Fractional slot double layer winding configuration was selected for the best choice to minimize the stator slots harmonics. After the creating the final model, two dimensional FEA simulations were run and results were discussed. The cogging torque, back-EMF, torque output and motor losses were evaluated. It is seen that the back-EMF waveform is pure sinusoidal curve after simulation results. After two dimensional analysis, three dimensional model was created and prepared for simulation. The magnet length and rotor stacks are four milimeters longer than the stator stacks. The difference between two and three dimensional analysis results was shown. The back-EMF value was obtained higher after three dimensional simulation. Both two dimensional and three dimensional motor model were driven by the same current value. The electromagnetic torque in the airgap was gained high value in the three dimensional analysis. These results were related to the length of magnet.
Afterwards, the reference model and the original motor design were compared and 3D analysis results were discussed in detail. First, the cogging torque was handled. It is seen that the original motor model has better cogging torque value. The reference model has very high torque ripple value and its value is %57. The original motor model has only %10 ripple value. In the light of this information, the original model has better electromagnetic torque value. It is seen that the original model total harmonic distortion value is under %1. The motor efficieny for the original motor is two-three perceantage higher the reference motor.
Thereafter, the motor was prototyped. The lamination and magnet drawings were prepared as engineering drawing and the order was made. Magnets were shocked directionally. Motor was collected and made available for testing after the material had been obtained. The motor was tested in the laboratory and experimental results were carried out. The thesis was written after the 3D analysis results and the experimental results compared and validated.
Overall, it is shown how to design good motor design process. It is possible to reduce the motor dimensions and the material consumption in order to get more compact motor structure and high efficiency when applying the proper motor design parameters.