4 kW beş fazlı bir senkron relüktans motor tasarımı veperformans analizi
Design and performance analysis of a 4 kW five-phasesynchronous reluctance motor
Yazar: SİNAN OĞUZHAN BAŞKURT
Danışman: PROF. DR. LALE TÜKENMEZ ERGENE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Senkron relüktans makineleri, elektrik makineleri alanında faaliyet gösteren araştırmacılar ve üreticiler için gün geçtikçe artan bir ilgiyle farklı uygulama alanlarında araştırmalara konu olmaktadır. Senkron relüktans makineler, rotorlarında bulunan hava boşlukları ve sargısı bulunmayan rotor yapısı, düşük ağırlık, düşük üretim maliyeti, düşük arıza oranı ve az bakım gerektirme avantajlarıyla asenkron ve sürekli mıknatıslı fırçasız doğru akım motorlarıyla karşılaştırılabilir ve hatta bazı durumlarda tercih edilebilir hale gelmiştir. Çok fazlı makineler olarak tabir ettiğimiz (ing.: multi-phase) yani faz sayısı üçün üzerinde olan senkron relüktans makineler ise artan faz sayısı ile birlikte bazı avantajlar sunmaktadır. Faz başına düşen gücün azalması ile beraber sürücülerde ve anahtarlama elemanlarında maliyetlerin azalması, bir veya birden fazlarda meydana gelebilecek hatalarda üç fazlı makinelere oranla daha toleranslı olması gibi avantajları beraberinde getirmektedir. Senkron relüktans makineler stator yapısı incelendiğinde herhangi bir çok fazlı asenkron makine ile aynı stator yapısına sahiptir. Bu makinelerin temel farkı, rotor yapısı incelendiğinde ortaya çıkmaktadır. Rotorlarında uyarma sargısı bulunmayan bu tip makineler literatürde soğuk rotorlu makineler olarak da geçmektedir. Rotor içindeki manyetik alan, stator akısının hava boşluklarıyla belirlenen yollar üzerinden rotor malzemesini uyarmasıyla oluşturulur. Bu hava boşluklarına "akı bariyerleri" denir. Akı bariyerleri, rotor içinde manyetik bir anizotropi oluşturur ve stator manyetik akısı rotorda moment indüklenmesi oluşturur. En düşük relüktansa sahip eksen olan d-ekseni ile en yüksek relüktansa sahip eksen olan q-ekseni arasındaki relüktans dolayısıyla indüktans farkı motorun performansını etkileyen en önemli parametredir. Tasarım sürecinde ilk olarak üç fazlı makine için stator ve rotorun birçok kriteri dikkate alınmalıdır. Bu kriterler belirlenirken tekrar sarım yapılarak beş fazlı bir makineye geçişi sırasında bu belirlenen kriterlerin yeni makineye de uygun olabilmesi göz önünde bulundurulmalıdır. Statordaki oluk sayısı ve bunun faz sayısına oranı, diş genişliği, boyunduruk genişliği ve sargı tipi (dağıtık veya konsantrik), sarım sayısı gibi parametreler motorun performans karakteristiğini etkiler. Rotor tasarımında ise akı bariyeri sayısı, demir bölütleri, akı bariyeri genişliği, kutup sayısı ve yalıtım oranları gibi parametreler detaylıca incelenmelidir. Bu çalışmada, geometrik boyutlar ve bazı temel çalışma koşulları belirlenmiş ve prototip tasarım süreciyle başlanmıştır. Stator yapısı üzerinde yapılan optimizasyonlar ve ardından rotor yapısı tasarlanarak daha sonrasında model üzerinde iyileştirme çalışmaları yapılmıştır. Sonrasında rotor veya stator yapısında bir değişikliğe gidilmeden bu makinenin tekrar sarımı sağlanarak beş fazlı makine oluşturulmuştur. Beş fazlı makine oluşturulurken değişik sargı teknikleri arasında karşılaştırmalar yapılıp en verimli olan model seçilmiştir. Moment üretme kabiliyeti, moment titreşimi, manyetik alan dağılımları, indüklenen gerilimler ve verim göz önüne alınarak üç fazlı makine ile yeniden sarım yapılarak elde ettiğimiz beş fazlı makine arasında karşılaştırmalar yapılmıştır. İki boyutlu Sonlu Elemanlar Yöntemi (SEY) kullanılarak yapılan analizlerle, elde edilen sonuçlar ticari bir elektromanyetik tasarım yazılımı olan ANSYS Maxwell 2D ile karşılaştırılmış ve tutarlılık doğrulanmıştır.

Abstract:
Synchronous Reluctance Machines (SynRMs) have become as a focal point in the field of electrical machines, captivating the attention of researchers and manufacturers due to their versatile applications. Unlike traditional counterparts such as induction and permanent magnet brushless DC motors, SynRMs have unique features that contribute to their growing prominence. In particular, their rotor structure has no windings, resulting in a lightweight design, cost-effectiveness, and minimal maintenance requirements. In today's environment SynRMs are used in multi-phase SynRMs, characterized by number of phases greater than three, bring additional benefits that make them increasingly attractive in various applications. The increased number of phases results in reduced power per phase, which translates into cost savings in drivers and switching elements. Moreover, multi-phase machines have a higher fault tolerance compared to their three-phase counterparts, making them more robust in scenarios where faults may occur in one or more phases. With reduced torque ripple and enhanced performance under variable operating conditions, multi-phase SynRMs are becoming more important every day. SynRMs are used in wide range in industry due to their distinctive characteristics and operational benefits. In industrial automation, SynRMs are preferred in tasks requiring precise control and efficiency, contributing to improved manufacturing processes. The simplicity of their design and high efficiency make SynRMs suitable for integration into electric vehicle drive systems, addressing the demand for reliable and energy-efficient transportation. In addition, SynRMs are being used in renewable energy systems, where their robust and low-maintenance characteristics meet with the requirements for sustainable power generation. With their enhanced durability, SynRMs are well suited to applications with extended operational life. Whether in industrial environments, electric vehicles or renewable energy installations, SynRMs offer a compelling combination of efficiency, reliability, and adaptability in a variety of applications. SynRMs' were first introduced into the literature was by J.K. Kostko in 1923. Since then, these machines have evolved and gained in importance, but the operating principle remained essentially the same. While the stator structure of SynRMs shares similarities with multi-phase asynchronous machines, the real difference lies in the rotor structure. The absence of an excitation winding classifies the rotor as a "cold rotor." The magnetic field within the rotor is established by strategically positioned air gaps known as "flux barriers." These barriers create magnetic anisotropy within the rotor, which induces torque when interacting with the stator magnetic flux. Optimizing the location of the flux barriers is critical, with the aim of minimizing the d-axis inductance and maximizing the q-axis inductance to improve overall performance. This characteristic is identified by the performance metrics of the saliency ratio (Ld/Lq) and the inductance differential (Ld-Lq). The performance of these machines is influenced by these factors because torque generation is dependent on the difference in d-q inductance, and the maximum power factor is dependent on the saliency ratio. Therefore, maximizing these values is desirable. In addition, design factors such as the number and dimensions of flux barriers also affect the d-q inductances. Parameters such as the ratio of the number of stator slots to the number of poles, the ratio of the number of the poles to the number of the flux barriers also play a critical role in the design process. Basic SynRMs have no permanent magnets in the rotor, which distinguishes them from other types of synchronous machines. This design simplicity, coupled with the effective utilization of reluctance torque, contributes to the overall efficiency and reliability of synchronous reluctance machines in various applications. The aim of this study is to design a three-phase SynRM and then use this design to create a multi-phase SynRM. The selected criteria for three phase machine should also be adapted to multi-phase design. The best configuration to achieve this transformation is to rewind three-phase design to five-phase. Choosing 36-slot stator, 4 poles, 2 pole pair and number of windings that can be used in both 3-phase and 5-phase design is chosen. Different winding configurations (single or double layer) have been studied and compared and the most optimal one has been selected. The design process involves meticulous consideration of various criteria for both the stator and rotor. Parameters such as the number of slots, tooth width, yoke width, and the type of winding (distributed or concentric) in the stator have a significant influence on the motor characteristics. Rotor design includes several factors such as the number of flux barriers, iron bölüts, flux barrier width, magnet positions if there is any, and insulation ratios. ANSYS Maxwell 2D that is a commercial electromagnetic software based on Finite Element Method (FEM) is used to validate and optimize the design. Efficiency remains a paramount concern in the field of electrical machines, becoming important in the aspect of environmental sustainability. SynRMs, with their unique rotor structure and anisotropic magnetic field generation, offer an exciting alternative. Challenges such as torque ripple and the need for complex control algorithms, inherent to SynRMs, are the subject of ongoing research. In the specific context of this study, the design process focuses on creating a multi-phase SynRM for potential applications in different scenarios. The journey involves careful determination of performance requirements, consideration of structural constraints, and optimisation of stator and rotor configurations. The impact of various design parameters on torque production and overall motor performance is systematically investigated. In this study, a synchronous reluctance machine with geometric constraints and 4 kW output power, 36 stator slots, 4 poles has been designed and this machine has been rewound to five-phases with certain limitations. The optimum design is chosen and then compared with the three-phase design by using the Finite Elements Method. Four key aspects related to the machines have been used in the comparison between three and five phase machines. These aspects are; magnetic circuit analysis, which involves studying the magnetic flux paths and resistances within the machine; current and voltage analysis, which employed to analyse the current and voltage distributions in the stator and rotor windings of the machine; torque and power calculations; which is crucial for evaluating the machine's output power, efficiency, and overall performance of the machine, and finally torque ripple analysis, to compare the undesirable effects such as torque pulsations. These analyses are carried out using commercially available ANSYS Maxwell 2D software and the results are presented at the end of the thesis.