1,5kW IE4 verim sınıfı asenkron motor ve şebeke kalkışlı daimi mıknatıslı senkron motor tasarımları ve performans karşılaştırması
Designs of 1,5kW IE4 efficiency class induction and line start permanent magnet synchronous motors and comparison of their performance
Yazar: HAKAN GEDİK
Danışman: PROF. DR. LALE ERGENE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Asenkron motorlar = Induction motors ; Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Sürekli mıknatıslı senkron motorlar = Permanent magnet synchronous motors

Özet:
Dünyada enerji kaynakları hızla tükenirken ve sera gazı salınımları hızla artarken karar vericiler ve politika uygulayıcılar enerji verimliliği ile ilgili ciddi çalışmalar yapmaya başlamıştır. İklim sözleşmeleri ve bunun uygulama adımları olan regülasyonlar sayesinde enerji tüketen ürün ve cihazların verim değerleri ile ilgili zorunluluklar yürürlüğü girmiştir. Elektrik motorları, enerji tüketimindeki ciddi payı sayesinde regülasyonların radarına giren ilk ürünlerden biri olmuştur.
1990'lı yılların sonunda CEMEP tarafından verimli elektrik motorları için bir gruplama yapılmış, motorlar devir sayısı ve güçlerine göre belli verim değerleri ile artan verim sınıfına göre sırasıyla EFF3, EFF2 ve EFF1 olarak gruplanmıştır. Verimlilik konusunda yapılan çalışmalar neticesinde öncelikle 2008 yılında IEC 60034-30 standardı yayımlanarak verimli motor kapsamı, tanımı ve değerleri uluslararası geçerliliği olan bir şekle dönmüştür. En düşük verim sınıfı IE1 olmak üzere IE2, IE3 ve IE4 şeklinde tariflenen motorlar, 2009 yılında Avrupa Birliği'nde yayınlanan 640/2009 regülasyonu ile zorunlu bir üretim ve kullanıma tabi olmuştur. Öncelikle IE2 ve IE3 motor kullanımını zorunlu hale getiren regülasyon Temmuz 2021 itibari ile çıtayı yükselterek 0,75kW altı motorlar haricinde IE2 motorları yasaklamış, ilave olarak 2023 yılında IE4 verim sınıfını büyük güçlü motorlarda zorunlu hale getirmiştir.
Regülasyonlar ile verim çıtasının daimi yükseltildiği motor sektöründe pazara ciddi oranda hakim olan asenkron motorlarda verimi arttırıcı faaliyetler hız kazanmış, bununla beraber bu motorlara alternatif olabilecek diğer motor türlerinin endüstride yer bulabilmesi adına çalışmalar başlamıştır. Elektrik motorlarının kullanım alanları arasında ciddi orana sahip olan pompa, fan, kompresör gibi uygulamalar değişken devirli uygulamalar olmalarına rağmen inverter kullanımı çok düşük olduğu için asenkron motorlara alternatif olabilecek dikkat çekici motorlardan biri şebeke kalkışlı daimi mıknatıslı motorlar olmuştur.
Bu tez çalışmasında IE3 verim sınıfı 1,5kW 4p 90 gövde bir asenkron motor referans alınarak öncelikle klasik yöntemler ile IE4 verim sınıfı seviyesine çıkarılmıştır. Bu çalışmanın yanında IE3 asenkron motorun statoru sabit tutularak yeni bir rotor tasarımı sayesinde IE4 verim sınıflı şebeke kalkışlı daimi mıknatıslı senkron motor tasarlanmış ve doğrulanmıştır. Motor gövdesi, kapaklar ve diğer mekanik parçalar IE3 verim sınıfı motora ait olup tez çalışması kapsamında tasarlanan parçalar değildir.
Elektrik ve elektromanyetik tasarımlar Flux 2D ve SPEED manyetik analiz programları ile gerçekleştirilmiştir. Öncelikle var olan IE3 verim sınıfı asenkron motor modellenerek diğer çalışmalar için referans oluşturması sağlanmıştır. Klasik yöntemlerden paket boyunun arttırılması, verimli sac kullanımı, verimli rulman kullanımı gibi yöntemlerle IE4 asenkron motor tasarımı yapılmıştır. İlave olarak yeni bir rotor tasarımı ile hem mıknatıs hem de alüminyum çubuklardan oluşan hibrit bir yapı ile şebeke kalkışlı senkron motorun tasarımı tamamlanmıştır.
Yapılan tasarımlar prototiplenerek IEC 60034-2-1 standardına göre sırasıyla ısınma testi, performans testi ve boşta test adımlarına tabi tutularak test edilmiştir. Yapılan testler neticesinde her iki motorun da IE4 verim değerini yakaladığı tespit edilmiştir. Başarılı tasarım ve doğrulama çalışmalarından sonra her iki motor tipinin performans değerleri karşılaştırılarak uygulama alanına göre kullanıcılar tarafından değerlendirilebilmeye sunulmuştur.

Abstract:
While the world's energy resources are depleting and greenhouse gas emissions are increasing rapidly, decision makers and policy practitioners have started to work seriously on energy efficiency subject. Thanks to the climate agreements and the regulations, which are the implementation steps, the obligations regarding the efficiency values of energy-consuming products and devices have been made. Electric motors are one of the prominent products for the regulations because of their significant share in overall energy consumption. 
An efficiency classification is defined for the electric motors by CEMEP at the end of the 1990s. The motors are grouped as EFF1, EFF2, EFF3 respectively, with the lowest efficiency class being EFF3, according to their speed and power. The IEC 60034-30 standard is published in 2008 as a result of the efficiency studies and the scope and values of an efficient motor are defined internationally. The motors, which are defined as IE1, IE2, IE3 and IE4, with the lowest efficiency class IE1, have been subject to mandatory production by 640/2009 regulation published in the European Union in 2009. The regulation has made the use of IE2 and IE3 motors mandatory. Then IE2 motors have been banned except the motors below 0.75 kW as of July 2021. Additionally, IE4 efficiency class will be mandatory for large power motors starting from 2023.
Most of the motors used in the industry are induction motors (IM). With the effect of regulations, efficiency-enhancing activities have come to forward in these motors. Furthermore, other motor types such as permanent magnet synchronous motors and synchronous reluctance motors have also started to take place in the industry. 
Electric motors are used in many different applications. However pumps, fans, compressors have considerably higher rate among the usage areas of electric motors. Although they are all variable speed applications, the use of inverters is still below the expected level. So, it is very critical that the high-efficiency motor can be used both with and without an inverter. While induction motors are having this feature, permanent magnet synchronous motors and synchronous reluctance motors require a power electronic circuit to operate. Line start permanent magnet synchronous motors (LSPMSM) would be a good alternative to induction motors.
The aim of this thesis study is to design a 1.5 kW, 4p, IE4 IM and LSPMSM according to IEC 60034-30-1:2014. An IE3 efficiency class 1.5kW 4p 90 frame induction motor is taken as reference.
First of all, the efficiency of this motor has been increased to IE4 efficiency class by applying the conventional methods. The desired efficiency value has been achieved with the methods such as increasing the stator and rotor stack length, using low loss electrical lamimations, using efficient bearings and cooling the motor with a small fan. Pieces' and manufacturing tolerances have been re-evaluated because of the increased stack length and reduced additional losses. These modifications are optimized and validated with the SPEED and Flux 2D commercial simulation programs and then prototyped using the existing infrastructure.
Besides this study, a new rotor is designed and validated for a IE4 line start permanent magnet synchronous motor by keeping the stator of the induction motor. The biggest challenges of the design are the motor starting and synchronization. The difficulty of this type of motors in terms of the manufacturing is the presence of both aluminum bars and magnets in the rotor. Determining the minimum thicknesses to withstand the injection pressure, magnet placement and the order of the magnetization process are among the other challenges.
The process of preparing the rotor core of the prototyped motor consists of seven stages; magnet supply, rotor lamination preparation, aluminum injection, shaft driving, rotor turning, magnet placement and epoxy casting respectively. The magnets are used as four pieces in the axial length instead of one piece, because of the long rotor stack length and manufacturing issues. Magnetic properties of the sample magnets are measured and verified that they met the required values. Rotor laminations are prepared by laser cutting. The shaft is driven and the magnets are placed after the aluminum injection. The prototype motor is ready after the epoxy pouring process to fix the permanent magnets.
The designs are prototyped and tested according to IEC 60034-2-1 (2014). The IE4 efficiency class induction motor is tested with the indirect measurement loss seperation method. Line start synchronous motor was tested with the direct measurement method.
One of the most important aim of the thesis is the complexity management. When the IE4 induction motor is compared to the IE3 reference motor, four components are changed. These are;
•Stator core (increasing core length and changing the material)
•Rotor core (increasing core length and adding the end ring)
•Bearing
•Fan
Moreover, the rotors of IE4 LSPMSM motors are hybrid structures that contain magnets and rotor bars together. For this reason, a new rotor lamination is designed. The motor housing, end shields and other mechanical parts belong to the IE3 efficiency class motor and are not the parts of the thesis study. 
As a result, the performance of two IE4 motors are compared. Accordingly, LSPMSM performance values are better than that of the IM relatively. The efficiency value is 0.91% higher in absolute terms, the current is 1% lower and the power factor is 10% higher in the LSPMSM.  In addition, the relatively high speed of LSPMSM will provide an advantage in certain applications such as pumps, fans, etc.