IE2 verim sınıfından IE4 verim sınıfına geçişte asenkron motor tasarımı
The design transition of an induction motor from IE2 efficiency class to IE4
Yazar: ÇAĞLAR ACAR
Danışman: DOÇ. DR. LALE ERGENE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Alternatif akım motorları = Alternative current motors ; Asenkron motorlar = Induction motors ; Elektrik motorları = Electric motors ; Endüksiyon motorları =   ; Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Üç fazlı asenkron motorlar = Three phase induction motors ; İndüksiyon motorları =

Özet:
Nüfusun hızla artması ve hızlı sanayileşme, beraberinde artan enerji tüketimini de getirmektedir. Gün geçtikçe enerji ihtiyacını karşılayabilmek için yeni enerji üretim tesisleri kurulmaya çalışılmaktadır. Ancak unutulmamalıdır ki bu tesisler enerji üretebilmek için petrol, doğalgaz, kömür gibi yakıtlara ihtiyaç duymaktadır. Bu ham maddelerin kullanılması sonucu doğaya salınan karbon miktarı her geçen gün biraz daha artmaktadır ve bu da küresel ısınmayı tetiklemektedir. Bu şartlar altında mevcut kurulu gücün en iyi şekilde kullanılması ve kullanılan enerjinin verim değerinin yükseltilmesi gerekmektedir.
Hem ev tipi hem de endüstriyel uygulamalar düşünüldüğünde elektrik enerjisinin büyük bir kısmı elektrik motorları tarafından tüketilmektedir. Bu sebeple mevcut enerjiyi daha verimli kullanabilmek için elektrik motorlarındaki tasarrufa yönelmek doğru bir yaklaşım olacaktır. Elektrik enerjisi ile çalışan hemen hemen tüm ürünlerde enerji tüketim sınıfları tanımlanmıştır. Endüstriyel motorlar için de International Electrotechnical Commission (IEC) , National Electrical Manufacturers Association (NEMA) gibi kuruluşların belirlemiş olduğu verim sınıfları vardır. IEC 60034-30-1 standardı; döner elektrik makinaları için IE1, IE2, IE3 ve IE4 olmak üzere motorların verim seviyelerini sınıflandırmıştır. Avrupa Birliği ve Türkiye yayınladığı yönetmeliklerle 1 Ocak 2017 yılı itibari ile 0,75 kW ve üzeri motorlar için IE3 verimlilik sınıfını zorunlu hale getirmiştir.
Devreye giren yönetmelikler ve enerjiyi verimli kullanma bilincinin artması sonucunda, motor verimlerinin IE3 ve üzeri verim sınıflarına çıkarılması günümüzde motor üreticilerinin üzerinde durdukları konulardan biridir. Bu kapsamda bu tez çalışması boyunca IE2 verim sınıfına sahip bir motorun verim değerinin çeşitli yöntemler kullanılarak IE4' e çıkarılması amaçlanmaktadır.
Motor verimliliğini arttırabilmek için motorda oluşan kayıpların azaltılması gerekmektedir. Yapılan literatür taraması kayıpları azaltmak için çeşitli yöntemlerin olduğunu göstermektedir. Genel olarak iki çeşit yaklaşım mevcuttur. Bunlardan birincisi mevcut ürün üzerinde kullanılan malzemelerin iyileştirilmesidir. Diğer yaklaşım ise stator ve rotorun yeniden tasarlanmasıdır.
Tez çalışması iki aşamada yürütülmüştür. İlk olarak referans motor seçilmiştir. Modelleme için kullanılacak olan tasarım programlarına (SPEED ve ANSYS Maxwell 2D)  motor parametreleri tanıtılmıştır. Analizler için hem analitik hem de sayısal (Sonlu Elemanlar Yöntemi) yöntemler kullanılmıştır. Referans motorun; analitik ve Sonlu Elemanlar Yöntemi (SEY) sonuçları motorun standartlara uygun laboratuvar ortamında gerçekleştirilen test değerleri ile karşılaştırılmış ve sonuçların tutarlı olduğu gösterilmiştir. Bu sayede, mevcut motor üzerinden yapılacak olan iyileştirme çalışmaları esnasında numune üretilmeden testlerde elde edilecek sonuca yakın bir değer önceden tahmin edilebilecek olup gereksiz numunelerin üretilmesine engel olunacaktır.
Yapılan çalışmada öncelikle mevcut stator ve rotor laminasyonu üzerinde malzeme ve sargı tabanlı iyileştirmeler yapılmıştır. Daha sonra yeni bir stator ve rotor yaklaşımı ile farklı modeller tasarlanmıştır. Yapılan farklı tasarımlar kayıpların birçok şekilde azaltılabileceğini göstermiştir. Üretim teknolojileri kısıtlarından dolayı bazı tasarımların numuneler üretilememiş, sonuçlar sadece analitik olarak verilmiştir.
Referans motorun veriminin iyileştirilmesi çalışmalarında tasarım 1 motorda referans motora göre stator bakır oranı arttırılmış ve sargı direncinin düşürülmesi hedeflenmiştir.
Tasarım 2 motorda ise tasarım 1 motora ilave olarak laminasyonları oluşturan sac malzemesi M700'den M270'e çevrilecektir. Bu değişiklikler sonucunda da tasarım 1'de elde edilen iyileştirmelere ek olarak motorda meydana gelen demir kayıpları azalacaktır. Tasarım 2 motorun rulmanları sürtünme kayıpları iyileştirilmiş rulmanlardan kullanılacak ve motorun sürtünme kayıpları da azaltılacaktır.
Tasarım 3 motorda ise tasarım 2 motora ilave olarak motorun stator ve rotor paket boyu bir miktar uzatılacaktır. Bu değişiklikler sayesinde tasarım 3 motorda tasarım 2 motora ilave manyetik akı yoğunluğunun paket boyu artmasından dolayı azalmasına istinaden demir ve stator kayıplarının azalması sağlanacak verim daha da artacaktır.
Tasarım 4 motorda ise tasarım 3 motora ilave olarak paket boyları bir miktar daha arttırılacaktır. Demir ve stator kayıpları manyetik akı yoğunluğunun azalmasına bağlı olarak azalacaktır.
Tasarım 5 motorda yeni bir stator ve rotor laminasyon tasarımı yapılacaktır. Yeni laminasyon için kullanılacak sac tipi M700 olacaktır. Paket boyu referans motora göre bir miktar azalacaktır. Bununla birlikte statorda kullanılan bakır miktarı arttırılacak ancak stator olukları bu tasarım için tam olarak doldurulmayacaktır. Rulman olarak referans motordan farklı olarak kayıpları iyileştirilmiş rulman kullanılacaktır. 
Tasarım 6 motorda tasarım 5 motor üzerinden iyileştirme çalışmalarına devam edilmiştir ve tasarım 5 motorun stator doluluk oranı arttırılmış paket boyu tasarım 5 motora göre bir miktar arttırılmıştır ve motorun stator sargı kayıpları azaltılmıştır.
Tasarım 7 motorda rotor kaçak akımlarını azaltabilmek için tasarım 6'daki motorun ısıl şoklaması yapılmıştır ve ek kayıpların azalması sağlanmıştır. 
Tasarım 8, tasarım 9 ve tasarım 10 motorlarda ise sırası ile tasarım 1, tasarım 4 ve tasarım 6 motorların rotor çubuklarının bakır çubuklar ile değiştirilmesi durumu analiz edilmiştir. Bunun sonucunda da motorların rotor bakır kayıpları ciddi oranda azalmış, motor devir sayıları yükselmiş ve verim değeri en üst düzeye çıkarılmıştır.
Çalışmanın son kısmında yapılan çalışmalar özetlenmiş farklı tasarımlar için iyileşen verim değerleri ve verim sınıfları tablosu paylaşılmıştır.
Farklı yöntemler farklı iyileşmeler meydana getirmektedir. Bakır kayıplarının ve demir kayıplarının azaltılmasının motorun verimini daha çok etkilediği açıkça görülmektedir. Paket boyu artışı, verimli sac kullanımı, verimli rulman kullanımı ve stator sargısı bakır miktarının arttırılması motor verimliliğini arttırmaktadır. Buna paralel olarak bakır rotor çubukları ve uç halkaları uygulaması ise verim değerini ciddi oranda yükseltmektedir.

Abstract:
Rapid increase in population and rapid industrialization are accompanied by the increased energy consumption. Day after day, new energy production facilities are being set up to meet new energy needs. However, it should not be forgotten that these plants need fuels such as oil, natural gas, coal to produce energy and the use of these raw materials is increasing the amount of carbon released to the environment day by day, which triggers global warming. Under these conditions, it is necessary to use the existing power in a better way and increase the efficiency value of the energy used.
Considering both domestic applications and industrial applications, a large part of electricity is consumed by electric motors. For this reason, it will be the right approach to save energy in electric motors in order to use the existing energy more efficiently. Energy consumption classes are defined in almost all products that work with electricity. For the industrial motors, there are efficiency classes which are defined by some organizations such as International Electrotechnical Commission (IEC) , National Electrical Manufacturers Association (NEMA). The efficiency levels of the motors are classified as IE1, IE2, IE3 and IE4 in IEC 60034-30-1 standard. One of the most important issues of today's energy politics in electric motors is to increase the efficiency to IE3 and above efficiency classes as a result of the regulations announced by these organizations. IE3 efficiency class should be satisfied for the motors which have the power ratings of 0.75 kW and above and used in the industrial applications due regulations published by the European Union and Turkey as of January 1, 2017. 
In this perspective, the motor designers are aimed to increase the efficiency values of the motors that have IE1 or IE2 efficiency classes, to IE3 or IE4 efficiency classes by using various methods.
It is necessary to reduce losses in order to increase motor efficiency. Literature review shows that there are several ways to reduce losses. There are two general approaches. The first one is the improvement of the materials.  The other approach is to redesign the stator and rotor layouts.
The thesis work was carried out in two steps. First, the reference motor and its parameters are introduced to the design programs to be used. Both analytical calculation and numerical (Finite Element Method) were used to analyze the reference motor and the new designed motors. The analytical and Finite Element Method (FEM) results of the reference motor are compared to the test results of the motor. The tests are performed due to the rotating electrical motor standards and the results are coherent. The main changes in the motor are simulated by using a commercial software based on FEM before the prototyping to save both time and money.
First of all, material and winding improvements were made on the reference motor' stator and rotor laminations. Later, a new stator and rotor layouts was designed for different models. Different designs have shown that losses can be reduced in many ways. Due to limitations of production technology, some design layouts could not be manufactured. Only analytical results of them are given in the thesis.
To improve the efficiency of the reference motor, the stator copper ratio is designed to be more than the reference motor on design 1 motor to reduce the winding resistance. Reduction of copper resistance will reduce copper losses, and it will increase the motor efficiency level.
In design 2, in addition to design 1 the sheet material that will form the laminations will be converted from M700 to M270. As a result of these changes, in addition to the improvements achieved in design 1, the iron losses will be reduced. For design 2, motor bearings will change with friction loss decreased bearings then the friction loss of the motor will also be reduced. Motor efficiency level will increase with these changes.
In design 3, in addition to the design 2, the stator and rotor package size of the motor will be extended a little. Due to the increase of package size of the design 3 than design 2, the magnetic flux density will decrease and it reduce the iron and stator losses in design 3 than design 2. The reduction of losses will allow to increase the efficiency value.
In design 4, the package size of the design 3 will increase a little more. The iron and stator losses will be further reduced due to the more reduction of the magnetic flux density. With the new laminations design, the package size will be reduced a little compared to the reference motor. 
For design 5, new stator and rotor lamination will be made. Steel type will be M700 for new lamination. In this way, comparison of the laminations can be made without changing the steel type between design 5 and reference motor. However, the amount of copper used in the stator will be increased compared to the reference motor, but the stator slots will not be fully filled for design 5. Unlike the reference motor bearings, the loss-optimized bearings will be used for new lamination design motors.
The design 6 includes improvements of the design 5. The stator and rotor length have been slightly increased and the stator filling ratio has been increased. The copper losses of the motor are reduced according to this change. The copper losses of the motor are reduced due to this change, so more efficiency motor can be get.
In design 7 to reduce the rotor leakage currents, the design 6th motor's rotor is thermal shocked and additional losses are reduced. Reduction of additional losses is one of the ways of improving the efficiency of the motor. In this method, the rotor is heated in industrial ovens at high temperatures and then cooled instantaneously. Sudden heat exchange contributes to increased rotor resistance and reduced leakage currents.
Design 8, design 9, and design 10 are obtained from design 1, design 4, and design 6 motors. The difference is that new rotors bars are replaced by copper bars. The conductivity of copper is higher than aluminum. The use of copper in rotor bars significantly reduces rotor copper losses and increases rotor speed. Designs reach the highest efficiency value at this point.
There are two ways to use the copper application for rotor bars. The first one is to melt the copper and drain it into the rotor slots. The second is to take the prepared copper bars from any supplier and place them in the rotor slots. Both methods have the advantage and disadvantage compared to each other. Melting and draining requires hard work and hight factory investment costs, but unit production cost is lower than buying a prepared rotor bar. When the prepared rotor copper bars are bought there is no initial investment cost, but the purchase cost is high.
The comparison of all the new designs is presented in the last section of the thesis. Different methods bring different improvement factors. It is clear that the reduction of copper losses and iron losses affects the efficiency of the motor directly.
Production and cost constraints must be taken into consideration while efficiency studies are being carried out. The optimization should be realized by balancing production and cost.
Increasing the stack length, using more efficient steel lamination, using more efficient bearings and increasing the filling factor of the stator slots boost the motor efficiency. Beside all, using the copper rotor bars and end rings also increases the efficiency significantly.