Elektrikli araçlar için asenkron makinelerde rotor oluk geometrilerinin uzay harmonik ve işletme başarımı üzerine etkilerinin tespitine katkılar
Contributions to determine the effects of different rotor slot geometries on space harmonics and performance in induction machines for electric vehicles
Yazar: ABDULSAMED LORDOĞLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Küresel ısınma, çevre kirliliği, fosil yakıtların tükenmesi gibi problemler çevreye olan bilinci ve nihayetinde onu korumaya ve zarar vermemeye yönelik çalışmaları arttırmıştır. Elektrikli araçların gelişiminde rol oynayan bu etkenler ile birlikte günümüzde yapılan çalışmalar da elektrikli araç teknolojisini gittikçe geliştirmektedir. Elektrikli araç teknolojisine olan eğilime paralel olarak elektrik tahrik sistemlerinin gelişimine yönelik çalışmalar da artmaktadır.

Elektrikli araçlarda tahrik motoru olarak çeşitli motorlar kullanılmaktadır. Bunlar genelde asenkron motor, sürekli mıknatıslı senkron motor, anahtarlamalı relüktans motor, geleneksel doğru akım motoru ve senkron relüktans motordur. Bu motorların birbirlerine göre çeşitli avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Asenkron motorlar düşük maliyetleri, basit ve sağlam yapıları, yüksek verimleri, düşük titreşime/gürültüye sahip olmaları gibi özelliklerinden dolayı elektrikli araç uygulamalarında tercih edilmektedirler. Geçmişten günümüze kadar çeşitli elektrikli araç uygulamaları yapılmıştır. Bu araçlardan Tesla Model S, BMW X5, Ford Focus EV ve Tesla Roadster gibi öne çıkan marka ve araçlar tahrik motoru olarak asenkron motor kullanmayı tercih etmişlerdir.

Elektrikli araç uygulamalarında kullanılan elektrik motorunun işletme başarımını arttırmak ve maliyetini azaltmak amacıyla çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmada elektrikli araçlar için tasarlanmış sincap kafesli asenkron motorda rotor oluk geometrilerinin motorun işletme başarımı, kalkış performansı, verimlilik, titreşim ve akustik gürültü gibi kriterlere etkisi incelenmiştir.

Elektrikli araçlarda kullanılan motorların yüksek moment/güç yoğunluğu, düşük titreşim/gürültü, ani hızlanma/yavaşlama, düşük maliyet/ağırlık, geniş hız aralığı ve "tüm hızlarda yüksek verim" gibi özelliklere sahip olması gerekir. Bu tasarım isterleri göz önüne alınarak tasarlanacak motor için bir verim hedeflenmiş ve motor gücü, kutup sayısı, stator ve rotor oluk sayıları, hız aralıkları gibi motor değerleri pratikte kullanılan makine özelliklerinden yola çıkılarak belirlenmiştir. Belirlenen bu değerlere göre geleneksel analitik yöntemler ile makine başlangıç fiziki boyutları hesaplanmıştır.

Makinede kullanılacak manyetik malzemenin doymaması ve buna bağlı olarak manyetik kayıpların oluşmaması ve nihayetinde makine veriminin yüksek olması amacıyla makinenin çeşitli bölümlerinde standartlar ve genel tasarım ilkeleri dikkate alınarak manyetik kısıtlar belirlenmiştir. Geleneksel yöntemler ile hesaplanan makinenin fiziki boyutlarında, manyetik kısıtlar göz önüne alınarak bilgisayar destekli analiz ile iyileştirme yapılmış ve nihai boyutlar belirlenmiştir. 

NEMA, IEC gibi motor standartları ve literatürde yapılan çalışmalar değerlendirilerek asenkron motorlarda kullanılan rotor oluk şekillerine yeni ve özgün oluk tasarımları da eklenerek belirli bir sınıflandırma altında farklı rotor oluklarına sahip 13 motor tasarlanmıştır. Stator demir çekirdeği sargısı ve oluk şekli 13 tasarım için değiştirilmemiş olup 2 tabakalı sargı, sabit diş genişliği ve yamuk kesitli oluk kullanılmıştır. Makine ana boyutları ve stator yapısı değişmemek kaydıyla tasarlanan her bir motor için rotor oluk şekline ait boyutlar değiştirilerek en uygunlaştırma yapılmıştır. İlgili rotor oluk geometrik boyutlarının en uygunlaştırılması için ANSYS Electronic Desktop kullanılmış ve analiz kriteri olarak en yüksek verim alınmıştır. Bu en uygunlaştırma oluk geometrisinin karmaşıklığına bağlı olup karmaşık geometriler için daha fazla analiz yapmak gerekmiştir.

Tasarlanan farklı rotor oluk geometrilerine sahip 13 motor, bilgisayar destekli sonlu elemanlar yöntemi ile sabit moment kriteri altında incelenmiş ve geçici hal analizine tabi tutulmuştur. Bu motorların elektriksel, manyetik, harmonik ve gürültü yönünden işletme başarımları elde edilmiş ve karşılaştırılmıştır. Bilgisayar destekli analiz programları ile her bir rotor oluk çeşidi için makinelerin hava aralığındaki manyetik akı yoğunluğunun radyal bileşeni açısal konuma bağlı olarak elde edilmiş ve Fourier Analizi ile harmonik spektrumları elde edilmiştir. Harmonik dağılımdan faydalanarak makine üzerinde en büyük bozucu etkisi olan uzay harmoniklerine yoğunlaşılmış ve bu harmonik derecelerinin kısıtı altında motorlar en küçük harmonik içeriğinden en büyük harmonik içeriğine doğru sıralanmıştır.

Uzay harmoniklerinin akustik etkisini inceleyebilmek adına seçilen oluk tipleri üzerine yoğunlaşılmıştır. Bu amaçla en büyük harmonik içeriğe, en küçük harmonik içeriğe ve "kalkış akımı, kalkış momenti, verim, harmonik içeriği, moment titreşimi" dikkate alınarak seçilen en uygun işletme başarımına sahip 3 oluk tipi üzerine yoğunlaşılmıştır. Seçilen 3 oluk tipine ilişkin analiz sonuçları ANSYS Workbench programına aktarılarak uzay harmoniklerinin etkisi sonucu oluşan manyetik akustik gürültüler incelenmiştir. Bu yolla makinelerin manyetik yolla oluşan akustik gürültü seviyeleri ve değişimleri karşılaştırılmıştır.

Bu tez ile standart elektrik makinesinin tasarımı ve sayısal yöntemle incelemesi çalışmalarına ilave olarak uzay harmoniklerinin mekanik ve akustik etkileri incelenmiş ve 13 farklı oluk tipinin seçilen kriterler altında başarımları elde edilmiştir. Elektrikli araçlar için özel olarak tasarlanacak elektrik motorlarında rotor oluk tipinin kolayca belirlenebilmesi için sonuçlar karşılaştırmalı olarak verilmiştir.

Abstract:
Problems such as global warming, environmental pollution and depletion of fossil fuels have increased the awareness of the environment and ultimately increased the efforts to protect and not harm to it. Along with these factors which play a role in the development of electric vehicles, the current studies are also improving the electric vehicle technology. 

In parallel with the trend in electric vehicle technology, studies on the development of electric drive systems are also increasing. The electric vehicle drive system includes four key components: electric machine, battery, power electronic converter and controllers. Engines used in electric vehicles must have features such as low vibration/noise, high torque/power density, simple and robust structures, rapid acceleration/deceleration, wide speed range, low cost/weight and high efficiency at all speeds in order to be solution for environmental concerns without reducing driving comfort.

In electric vehicles, various motors have been used as propulsion motors. These are generally induction motor, permanent magnet synchronous motor, switching reluctance motor, direct current motor and synchronous reluctance motor. These motors have various advantages and disadvantages according to each other.  For instance, induction motors are preferred in electric vehicle applications due to their low costs, simple and robust structures, high efficiency and low vibration/noise. Various electric vehicle applications have been made from the past to the present. The leading brands and vehicles like Tesla Model S, BMW X5, Ford Focus EV and Tesla Roadster have chosen to use induction motors as propulsion motors.

Various studies have been carried out in order to increase the operational performance of the induction motor.  The design parameters such as stator and rotor slot geometries, winding structures, machine main dimensions and air gap length affects directly the performance of induction motors. The rotor slot geometries are effective in many performances of these motors such as operation, magnetic, harmonic and noise.  For this reason, electrical machine designers have designed and analyzed squirrel cage geometries with features such as deep slot and double cage. Standards such as NEMA and IEC which classified these geometries in terms of operating characteristics have been used as a guide in machine selection.

In this study, the effects of the cage geometries in the squirrel cage induction motor designed for electric vehicles on operating performance, harmonic content and acoustic behavior were examined. The motor efficiency, the number of poles, the number of stator and rotor slots and the speed ranges were determined before design by considering these requirements, constraints and practically used electric vehicle motors. According to these values, the initial machine dimensions were calculated by classical analytical methods.

Magnetic constraints were specified in various parts of the machine in order to prevent the saturation of the magnetic material of stator and rotor cores and obtain less magnetic losses and ultimately the higher efficient machine. The main dimensions of the machine, which was determined via classical methods, were optimized using computer-aided analysis according to magnetic constraints and so the final dimensions were obtained.

Stator and rotor slot geometries directly affects the performance, magnetic and electrical characteristic of the motor. The difference in rotor slot geometry of the squirrel-cage induction motor changes the rotor resistance and inductance values in the starting, tipping and nominal operation of the motor and accordingly the torque values. Therefore, the various rotor bar shapes used in asynchronous motors were examined by considering engine standards such as NEMA, IEC and studies in the literature. Rather than the geometric shapes of the rotor slots, it is seen that these standards and various studies concentrate on the double cage or deep slot structure.

In order to contribute to the literature, in this thesis, the rotor slot geometries were designed in thirteen different shapes, some of which are original, under a certain classification as trapezoidal, oval and rectangular. 

The stator iron core winding and slot shape were not changed for the designed 13 motors and the 2-layer winding, fixed tooth width and trapezoid cross section were used in stator. The dimensions of the rotor slot shape were optimized for each designed motor without changing the main dimensions and stator structure of the motors. ANSYS Electronic Desktop was used to optimize the rotor slot geometric dimensions and the highest efficiency was taken as the analysis criterion. This optimization is dependent on the complexity of the rotor slot geometry and so further analysis have been required for complex geometries.

13 motors with different rotor slot geometries were examined under constant torque criterion by computer aided finite element method. They were subjected to transient analysis. The electrical, magnetic, harmonic and noise performance of these motors were compared.

With the help of computer aided analysis programs, for each rotor slot type, radial component of the air gap flux density wave shapes in the air gap of the machines were obtained depending on angular position and the harmonic spectra of them were obtained by using the Fourier Analysis. 
Space harmonics which have the biggest disturbing effect on the machine were concentrated by using harmonic distribution and the motors were ordered from the smallest harmonic content to the largest harmonic content under the limitation of these harmonic degrees.

In electrical machines, the mechanical deformation, vibration and noise occur due to reasons such as the magnetic field in the air stimulated by the stator and rotor, the geometries of the stator and rotor slots, the distribution of the windings in the slots and phase imbalance. Namely, the noise of the electrical machines depends on the type of the machine, its structure, main dimensions, materials, manufacture, installation and load. 

In the literature, there are also studies that perform noise analysis in induction motors rather than machine operation performance.  Some of these studies have analytically calculated the noise of motor and compared the results with the experimental noise data, while others have analytically analyzed  the electromagnetic noise caused by the effects of harmonics  and analyzed by the analysis programs and compared these two results.

Space harmonics have disruptive effects such as vibration and noise to machine performance. The rotor types which have the most harmonic content, the smallest harmonic content and the most appropriate operating performance considering "starting current, starting torque, efficiency, harmonic content, torque vibration" were selected to investigate the affects of space harmonics on acoustic noise.

In this study, the mechanical and acoustic effects of space harmonics were investigated and the performance of 13 different slot types under the selected criteria was obtained in addition to the studies of design and numerical analysis of the standard electrical machine. In order to determine the rotor slot type easily in the electric motors, which will be specially designed for electric vehicles, the results are given comparatively. With the results obtained, this study has been a guide to the squirrel cage asynchronous motor designer in the design stage for both electric vehicle applications and other applications. In addition to the limited designs made here, it is possible to improve the classification by making other designs or investigations.