Denizaltılarda yardımcı makina olarak kullanılmak üzere sabit mıknatıslı senkron makina tasarımı ve akustik analizi
Design and acoustic analysis of a permanent magnet synchronous machine as auxiliary machine for submarines
Yazar: HALİL ATA
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: Denizaltı = Submarine

Özet:
Bir denizaltının kritik görevleri yerine getirebilmesi için gizlilik yeteneğinin mümkün olduğunca yüksek olması gerekir. Bu sebeple denizaltının suya yayılan akustik gürültüsünün en az seviyede olması beklenir. Akustik iz, denizaltıların operasyonel etkinliğini ve beka kabiliyetini belirleyen önemli bir faktördür. Denizaltıların akustik izini oluşturan gürültü kaynakları; tahrik sistemi (motor, redüksiyon dişlileri, tahrik mili, yatak vb.), pervane, yardımcı makinalar (klima, elektrik jeneratörleri ve pompalar gibi tahrikle ilgili olmayan mekanik ve elektrik sistemi) ve hidrodinamik etkilerdir. Denizaltılarda ana tahrik ünitesi dışındaki makinalara, ana makinayı doğrudan destekliyor olsalar bile genellikle 'yardımcı makina' denir ve denizaltı gürültü kaynaklarındandır. Tipik yardımcı makina ve ekipmanlar arasında besleme sistemleri, pompalar, hava kompresörleri, ısı eşanjörleri, damıtma ekipmanı, yağ/su ayırıcılar vb. ekipmanlar yer alır. Konvansiyonel tip dizel tahrikli denizaltılarda son yıllarda yardımcı makina olarak Sabit Mıknatıslı Senkron Motorlar (SMSM) kullanılmaktadır. Bu motorların; yüksek moment, hassas hız kontrolü, yüksek verim, uzun ömür ve sessiz çalışma gibi önemli özellikleri sayesinde denizaltılarda kullanımı giderek artmaktadır.  
Bu çalışmada, konvansiyonel tip denizaltı bataryaları kutup başlarının soğutulmasını sağlayan arık su devresine ait, arık su transfer pompası olarak kullanılan yardımcı bir makina için SMSM kullanılmış ve bu motorun gürültü seviyesinin azaltılması amacıyla özgün tasarımı yapılmıştır. Çalışmada ilk önce ANSYS Electronics Desktop analiz programı RMxprt modülü yardımıyla motorun 2D tasarımı tamamlanmış, daha sonra Maxwell'de elektromanyetik analizler yapılmıştır. Gürültü seviyesinde istenilen değere ulaşabilmek için motora, farklı stator oluk tasarımları ile, literatürde kabul görmüş vuruntu momenti azaltma yöntemleri uygulanmıştır. Daha sonra ANSYS Workbench programı yardımı ile motorun akustik analizleri yapılmıştır. MIL-STD-740-2 standardına göre yapıya yayılan gürültü değeri için 'TYPE II' eğrisi, limit değer olarak seçilmiş ve bu gürültü limit değerinin altında olacak şekilde SMSM tasarımının optimizasyonu yapılmıştır. Böylece MIL-STD-740-2 standardına göre belirlenen limit değerin altında bir gürültü seviyesine sahip ve denizaltılarda yardımcı makina olarak kullanılmaya uygun bir SMSM tasarım optimizasyonu gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
In order for a submarine to fulfill its critical missions, it is crucial for its stealth capability to be as high as possible. Therefore, the acoustic noise emitted by the submarine underwater is expected to be minimized. Acoustic signature is a significant factor determining the operational effectiveness and survivability of submarines. The noise sources contributing to a submarine's acoustic signature include the propulsion system (engine, reduction gears, drive shaft, bearings, etc.), propeller, auxiliary machinery (such as climate control, electric generators, and pumps unrelated to propulsion), and hydrodynamic effects. Machines other than the main propulsion unit in submarines are generally referred to as "auxiliary" machines, even if they directly support the main engine. Typical auxiliary machinery and equipment include feed systems, pumps, air compressors, heat exchangers, distillation equipment, oil/water separators, and other equipment. In recent years, Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSM) have been used as auxiliary machines in conventional diesel-powered submarines. The use of these motors in submarines has been increasing due to their significant features such as high torque, precise speed control, high efficiency, long lifespan, and silent operation.
In this study, a Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) was employed for an auxiliary machine used as a distilled water transfer pump in the cooling circuit of conventional submarine battery pole heads. The motor's original design was developed with the aim of reducing its noise level. Initially, the 2D design of the motor was completed using the RMxprt module of the ANSYS Electronics Desktop analysis program, followed by electromagnetic analyses in Maxwell. In order to achieve the desired noise level, different stator slot designs and literature-accepted methods for reducing cogging torque were applied to the motor. Subsequently, noise analyses of the motor were conducted using the ANSYS Workbench program. For acoustic analysis, the 'TYPE II' curve has been selected as the limit value for the noise level according to the MIL-STD-740-2 structure borne standard. The analysis results of the optimized SMSM design indicated a noise level of 70 dB at 1500 d/d. Thus, the optimized SMSM design achieved a noise level below the limit specified by the MIL-STD-740-2 standard, making it suitable for use as a second machine in submarines.