Sürekli mıknatıslı senkron motorlarda moment kalitesini artırmaya yönelik melez mıknatıs yerleşimli yeni bir rotor yapısı tasarımı ve deneysel doğrulaması
A new permanent magnet hybrid sychronous motor design, prototype manufacturing and experimental verification to improve torque quality
Yazar: OĞUZHAN OCAK
Danışman: DOÇ. DR. METİN AYDIN
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Birim hacimden daha yüksek güç elde edilebilmesi, yüksek verim, sessiz çalışma ve bakım gerektirmemeleri gibi nedenlerden dolayı sürekli mıknatıslı senkron motorların (SMSM) kullanımı günümüzde diğer tip motorlara göre oldukça fazladır. Sürekli mıknatıslı (SM) senkron motorlar, yapısında bulunan özel mıknatıslar sayesinde, benzer boyutlardaki asenkron ve fırçalı dc motorlara göre daha yüksek güç yoğunluğuna sahiptirler. Bu nedenle kritik uygulamalarda akla gelen ilk motor türü sürekli mıknatıslı senkron motorlar olmaktadır. Diğer taraftan sürekli mıknatıslı senkron motorların sağladığı avantajlardan maksimum seviyede faydalanabilmek için tasarım aşamasında uygulanması gereken farklı birçok yöntem bulunmaktadır. Bu yöntemler arasında doğru oluk/kutup sayısı kombinasyonu seçimi, oluk açıklığı optimizasyonu, kaykılı veya segmentli rotor yapısı, mıknatıs gruplama ve mıknatıs genişliği optimizasyonu en sık kullanılan yöntemler arasındadır. Ayrıca uygulanan yöntemler arasında farklı motor topolojilerinin avantajlarını bir araya getirerek, tek bir motorda bu avantajları sağlamaya yönelik yapılmış birçok özel hibrit motor tasarım yöntemi de bulunmaktadır.
Bu tez çalışması kapsamında sürekli mıknatıslı senkron motorların manyetik modellenmesi, CNC (computer numerical control) takım tezgahlarında kullanılması amacıyla özel bir DM (dahili mıknatıslı) takım tezgahı motoru tasarlanması, rotoru değişken mıknatıs boyu ve kaykı açısından oluşan yeni bir segmentli YM (yüzeyden mıknatıslı) motor yapısının önerilmesi ve rotorunda YM ve DM rotor segmentleri bulunan yeni bir hibrit yapının önerilmesi ve doğrulaması çalışmaları yapılmıştır. Sürekli mıknatıslı senkron motorların özellikleri ve motor denklemleri verilerek örnek bir YM motor için manyetik modelleme çalışmaları yapılmıştır. Modelleme çalışmaları basit manyetik model, doğrusal elemanlardan oluşan detaylı manyetik model ve doğrusal olmayan elemanlardan oluşan detaylı manyetik model olarak yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar sonlu elemanlar analizi (SEA) sonuçları ile karşılaştırarak uyumları irdelenmiştir. Ayrıca örnek motora ait 1 boyutlu (1B) basit bir termal eşdeğer devre oluşturularak mıknatıs sıcaklık seviyeleri elde edilmiştir. 
Yapılan diğer bir çalışma CNC (computer numerical control) takım tezgahlarında kullanılması amacıyla özel bir DM takım tezgahı motoru tasarlanmasıdır. Tasarım kriterleri doğrultusunda önce kutup sayısı optimizasyonu yapılmış ardından birçok farklı DM yapı detaylı olarak incelenmiştir. En iyi sonucu veren DM yapı için mekanik modelleme ve analiz çalışmaları gerçekleştirilerek prototip üretimi yapılmıştır. Oluşturulan test sistemi sayesinde testler gerçekleştirilerek doğrulama çalışmaları yapılmış ve sonuçlar irdelenmiştir. 
Tez kapsamında geliştirilen yeni bir algoritma sayesinde, 2 boyutlu (2B) SEA sonuçları kullanılarak, segmentli sürekli mıknatıslı senkron motorlarda daha düşük vuruntu momenti veya moment dalgalanması elde edilmesi sağlanmıştır. Literatürde ilk defa önerilen bu yöntem ile YM takım tezgahı motoru referans alınarak mıknatıs boyu ve segmentler arasındaki açının optimizasyonu sağlanmış ve daha düşük vuruntu momenti ve moment dalgalanması veren rotor yapısı elde edilmiştir. Elde edilen yapı için prototip üretim ve doğrulama çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar geleneksel yapılarla karşılaştırılarak avantaj ve dezavantajlarına değinilmiştir. Aynı algoritma kullanılarak rotoru YM ve DM segmentlerden oluşan, minimum moment dalgalanması verecek optimum boyutlarda bir hibrit takım tezgahı motoru da literatürde ilk defa bu tez çalışması kapsamında önerilmiştir. Hibrit motora ait prototip üretim ve doğrulama çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Geleneksel motor yapıları ile önerilen hibrit motor yapısının detaylı performans karşılaştırmaları yapılarak avantaj ve dezavantajlarından bahsedilmiştir.

Abstract:
Nowadays, the use of permanent magnet synchronous motors is much more than other types of motors, due to reasons such as higher power density, high efficiency, silent operation and not requiring maintenance. Thanks to the special permanent magnets in its structure, it is the first motor type that comes to mind in critical applications due to its higher power density than other three phase motor types with similar dimensions. On the other hand, there are many different methods that should be applied at the design stage in order to benefit from the advantages of permanent magnet synchronous motors at the maximum level. Choosing the right slot / pole number combination, slot opening optimization, skew or segmented rotor structure, magnet grouping and magnet width optimization are the most frequently used methods in the literature. In addition, there are many special hybrid motor design methods in order to provide better motor design by combining the advantages of different motor topologies.
Within the scope of this thesis study, magnetic modeling of permanent magnet synchronous motors were performed, a special IPM (interior permanent magnet) motor for CNC (computer numerical control) milling applications was designed, a new segmented SPM (surface permanent magnet) motor rotor structure which has variable magnet length and skew angle was proposed, and a new hybrid motor rotor structure which includes SPM and IPM rotor parts was proposed and verified. Magnetic modeling studies were performed for a reference SPM motor. Modeling studies were made as a simple magnetic model, a detailed magnetic model consisting of linear elements and a detailed magnetic model consisting of nonlinear elements. The obtained results were compared with finite element analysis (FEA). In addition, 1 dimensional (1D) thermal modeling studies were performed and magnet temperature levels were obtained.
Another study is design a special IPM motor for CNC (computer numerical control) milling machines. Pole number optimization were performed depending on the design criteria. Different IPM motor structures were examined in detail. IPM motor prototype manufactured for the one which gave the best torque quality. Prototype motor tests were carried out and results were examined.
A new semi FEA based algorithm were developed to obtain better cogging torque and torque quality from segmented motors. This method, which was proposed first time in the literature, was applied the reference SPM spindle motor. SPM motor magnet lengths and skew angles were optimized to obtain lower cogging torque and torque ripple. Prototype motor was manufactured and experimental verification studies were carried out. The results were compared with traditional structures and advantages and disadvantages of the proposed motor were mentioned. Same optimization algorithm was used to propose a new hybrid motor which rotor consist of SPM and IPM rotor segments. The aim of this study is to obtain optimum rotor segment lengths and skew angles to obtain minimum torque ripple. This method was proposed first time in the literature within the scope of this thesis study. Hybrid motor prototype was manufactured and verified. The advantages and disadvantages of the proposed hybrid motor were mentioned at the end of the study.