2.2 kW, 4 kutuplu, IE5 verim sınıfı şebeke kalkışlı sabit mıknatıslı senkron motor tasarımı
Design of a 2.2kW 4-pole IE5 efficiency class line-start permanent magnet synchronous motor
Yazar: MERT AKÇOMAK
Danışman: DOÇ. DR. SİBEL ZORLU PARTAL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Alternatif akım motorları = Alternative current motors ; Asenkron motorlar = Induction motors ; Elektrik motorları = Electric motors ; Senkron motorlar = Synchronous motors

Özet:
Son yıllarda artan sanayileşme ve teknolojik gelişmelere parallel olarak, elektrik enerjisine olan talep gün geçtikçe artmaktadır. Artan enerji ihtiyacını karşılamak için sunulacak çözümlerden biri de mevcut enerjiyi daha verimli kullanmaktır. Dünya üzerinde tüketilen elektrik enerjisinin büyük bir bölümü elektrik motorlarına aittir. Bu sebeple mevcut elektrik motorlarının verim seviyesinin yükseltilmesi, elektrik enerjisini daha verimli kullanabilmek adına yapılacak önemli uygulamalar arasındadır. Bu sebeple bu tez çalışmasında, 1.5 kW, verim sınıfı IE4 olan bir asenkron motor referans alınmış ve yapılan tasarım optimizasyonları ile verim sınıfı IE5'e yükseltilerek, endüstriyel uygulamalarda kullanılmak üzere 2.2kW, 4 kutuplu şebeke kalkışlı sabit mıknatıslı senkron motor tasarımı elde edilmiştir. 
Motor verimini yükseltmek, kayıplarının azaltılması ile mümkün olur. Yapılan literatür taramalarında IE5 verimlilik sınıfına geçişte rotor iletken kayıplarını minimum seviyeye düşürebilmek amacıyla geleneksel sincap kafesli asenkron motor yerine sabit mıknatıslı senkron motor topolojisine geçildiği görülmüştür. Ancak bu geçişte asenkron motorların endüstride yaygın olarak kullanılmasının en büyük sebeplerinden biri olan şebeke gerilimi ile kalkış yapabilme özelliği göz ardı edilmemiş, hem şebeke gerilimi ile kalkış yapabilen hem de yüksek verimliliğe sahip şebeke kalkışlı sabit mıknatıslı senkron motor topolojisi kullanılmıştır.
Bu tez çalışmasında öncelikle referans alınan sincap kafesli asenkron motor analitik ve nümerik olarak Ansys Maxwell yazılımında modellenmiş ve SEY analizleri gerçekleştirilmiştir. Daha sonra referans asenkron motora ait stator laminasyon geometrisi değiştirilmeden, rotor geometrisi şebeke kalkışlı sabit mıknatıslı senkron motor topolojisine uygun olacak şekilde tasarlanmıştır. Yüksek kalkış momenti ve iyi bir senkronlanma performansı için uygun rotor bara sayısı ve bara şekli belirlenmiş; yüksek verimlilik için ise farklı mıknatıs dizilimleri kullanılarak 3 farklı rotor laminasyonu tasarımı yapılmış ve analizleri gerçekleştirilmiş. Sonuçlar tablo ve grafikler yardımıyla karşılaştırılmıştır.
Çalışma sonucunda şebeke kalkışlı sabit mıknatıslı senkron motor topolojisine geçiş ile aynı motor hacminde daha yüksek güç ve moment yoğunluğu elde edilebileceği ve rotor iletken kayıplarında meydana gelen önemli orandaki azalma ile motor verimliğinin IE5 seviyesine çıkarılabileceği görülmüştür.

Abstract:
In recent years, spurred by industrialization and technological developments, the demand for electrical energy has surged. To tackle this challenge, maximizing the efficiency of existing energy usage is crucial. Electric motors account for an important share of global energy consumption, making enhancing their efficiency paramount. Thus, this study aimed to upgrade a 1.5 kW IE4-class induction motor to IE5. This involved designing a 2.2 kW, 4-pole line-start permanent magnet synchronous motor for industrial applications.
Efficiency improvement depends on minimizing losses. Literature reveals a shift from traditional induction motors to permanent magnet synchronous motors to achieve IE5, primarily to reduce rotor conductor losses. However, retaining the ability of induction motors to start with line voltage, crucial for industrial applications, was prioritized. Therefore, a line-start permanent magnet synchronous motor topology was adopted, ensuring both line voltage starting and high efficiency.  
In this study, firstly, the reference squirrel-cage induction motor was modeled analytically and numerically using Ansys Maxwell software, and FEM analyses were conducted. Subsequently, without altering the stator lamination geometry of the reference induction motor, the rotor geometry was designed to be compatible with the line-start permanent magnet synchronous motor topology. Appropriate rotor bar number and shape were determined for high starting torque and good synchronization performance. Additionally, three different rotor lamination designs were created for high efficiency using different magnet arrangements. The designs were also subjected to FEM analyses in Ansys Maxwell, and the results were compared using tables and graphs.
The study concluded that transitioning to the line-start permanent magnet synchronous motor topology allows for higher power and torque density within the same motor volume. Furthermore, a significant reduction in rotor conductor losses was observed, enabling the motor efficiency to reach IE5 levels.