Küçük ölçekli rüzgâr ve nehir santralleri için 4 KW gücünde kalıcı mıknatıslı senkron generatör tasarımı ve gerçekleştirilmesi
Design and realization of 4 KW permanent magnet synchronous generator for small scale wind and river power plants
Yazar: YÜCEL ÇETİNCEVİZ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. HÜSEYİN DEMİREL ; DR. DURMUŞ UYGUN
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, kırsal ve dağınık yerleşim birimlerinin enerji taleplerini karşılamak için küçük ölçekli rüzgâr ve nehir türbinlerinde kullanılacak, düşük rüzgâr hızlarında yüksek verimle çalışacak kalıcı mıknatıslı senkron generator tasarımı, optimizasyon ve üretimi amaçlanmıştır. Bu kapsamda çalışmanın ana hedefi, maliyeti düşürmek için optimum materyaller ve üretim yöntemleri kullanırken, tutma torkunu azaltan tasarım ve optimizasyon çalışmalarını gerçekleştirmek ve üretilen generatörden daha az maliyetle yüksek verim elde etmektir. Çalışmanın içeriği: tasarım, analiz, optimizasyon, üretim ve test süreçlerinden ve doğrulama çalışmalarından oluşmaktadır.
Tasarım ve analiz sürecinde bütünleşik 2D elektromanyetik alan ve devre modeli kullanılmıştır. Bu model farklı koşullarda makinenin davranışı ile ilgili kapsamlı bilgi sağlamaktadır.Optimizasyon sürecinin amacı maliyet, üretilebilirlik ve verimin yanı sıra generatörün belirlenen çıkış değerlerini sunduğu bir tasarım bulmaktır. Bunun için çok-amaçlı optimizasyon yaklaşımı kullanılmıştır. Oluk açıklığı, mıknatıs kalınlığı ve mıknatıs yayı/ kutup yayı oranı parametreleri iyileştirilmiştir. Ayrıca stator nüvesi ve rotor mıknatıslarındaki yapısal değişikliklerin tutma torku ve generatör performansı üzerine etkisi araştırılmış, analitik ve 2D-3D analiz sonuçları karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Tutma torku ve zıt emk'nın hesaplanması için gerekli olan hava aralığı akı yoğunluğunun elde edilmesinde manyetik eşdeğer devre ve bağıl geçirgenlik modeli kullanılmıştır. Analizler sonucunda, prototip için hem tutma torkunu azalttığı hem de üretimi kolay olduğu için tek parçalı mıknatıs ve kaykı işleminin uygulandığı yapılandırma tercih edilmiştir. Üretim sürecinde geçilerek silikon çelik temini ve işlenmesi, sarım işlemi, mıknatıs tasarımı ve rotor gövdesinin işlenmesi gerçekleştirilmiştir. Son süreçte ise, deneysel çalışmalar ortaya konmuştur. Deneysel çalışmalarda elde edilen sonuçlar, simülasyon sonuçları ve hesaplama yoluyla elde edilen sonuçlar karşılaştırmalı olarak verilmiştir.

Abstract:
In this study, it is aimed to design, optimize and produce a permanent magnet synchronous generator that will operate with high efficiency at low wind speeds for small-scale wind and river turbines to meet the energy demands of rural and dispersed settlements. The main goal of working in this context is to perform design and optimization studies that reduce cogging torque while using optimum materials and production methods reducing cost, and to achieve high efficiency at less cost than the generated generator. The content of the work consists of design, analysis, optimization, production and testing processes and validation studies. An integrated 2D electromagnetic field and circuit model is used in the design and analysis process.
This model provides comprehensive information on machine behavior under different conditions.The goal of the optimization process is to find a design that offers cost, manufacturability, and efficiency as well as generator output values. For this, a multi-objective optimization approach has been used. Slot opening, magnet thickness and magnet arc / pole ratio (embrace) parameters have been improved. In addition, the effects of stator core and rotor magnets on cogging torque and generator performance have been investigated, and analytical and 2D-3D analysis results have been compared. The magnetic equivalent circuit and the relative permittivity model have been used to obtain the air-gap flux density required for the calculation of cogging torque and back-emf. As a result of the analysis, the configuration in which the one-piece magnet and the skew process are applied is preferred since this confiuration is both reducing cogging torque and simplifying production of the prototype. During the production process; silicon steel procurement and processing, winding process, magnet design and processing of the rotor body have been carried out. In the last period, experimental studies have been put forward. The results obtained in the experimental studies, the simulation results and the results obtained by calculations are given comparatively.