Akıllı soğutma fan uygulamaları için BLDC motor tasarımı
BLDC motor design for smart cooling fan applications
Yazar: MUHAMMED ZÜBEYİR GÜNEY
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

Özet:
Dünya genelinde enerjinin büyük kısmının elektrik motorlu sistemler tarafından tüketildiği göz önüne alındığında, özellikle sanayide kullanılan motor sistemlerinin enerji verimliliği üzerine odaklanmak kritik bir öneme sahip olmuştur. Sanayide tüketilen elektrik enerjisinin büyük bir kısmı ise asenkron motorlar tarafından kullanılmaktadır. Özellikle fan uygulamalarında kullanılan asenkron motorlar hem verimsiz çalışmakta hem de farklı soğutma gereksinimleri için hızları kontrol edilmemektedir. Bu durum fan sistemlerindeki enerji verimliliği ve kontrol edilebilir akıllı sistem uygulamaları üzerine çalışmaların önemini daha da arttırmıştır. Farklı soğutma gereksinimleri için geleneksel uygulamalarda, hava performansını ayarlamada AC fanlar kullanılmaktadır. Ancak geleneksel uygulamalarda bu fanların kontrolü, basit bir şekilde açma kapamaya dayanan yani "on/off operasyon" şeklinde, kontrolsüz olarak yapılmaktadır. Modern uygulamalarda ise optimum soğutma performansını elde etmek için, sistemde bulunan tüm fanların çalışır durumda kaldığı, hızlarının sürekli olarak hem kapalı çevrim hem de açık çevrim kontrol edildiği, EC teknolojili fanlar kullanılmaktadır. EC teknolojisi için günümüzde PM (Daimi Mıknatıslı Motor), ECM (Elektronik Komütasyonlu Motor) ve FDAM (Fırçasız Doğru Akım Motoru) terminolojileri sık sık kullanılmaktadır. EC fanların kontrolü ise "modüler çalışma" denilen bir sistem olan ve fanların ayrı ayrı hızlarının kontrol edildiği modüler çalışma ile yapılmaktadır. Modüler çalışma ile sistemdeki fanların en optimum ve en verimli noktalarında çalışması sağlanarak, enerji tüketim bedellerinde tasarruf yapılabilmektedir. Bu amaçla fan sistemlerinde kullanılan fırçasız doğru akım motorları, geleneksel alternatif akım motorlarına göre daha yüksek verimlilik sağlar ve sistemin elektronik olarak kontrol edilebilmesine olanak sağlar. Bu özellikleri sayesinde, motorun hızı ve torku hassas bir şekilde ayarlanabilir ve farklı soğutma gereksinimleri için gerekli enerji tüketimi optimize edilebilir. Akıllı kontrol algoritmaları ve sensörlerin kullanımı, FDAM çalışma koşullarına dinamik olarak adapte olabilir ve en uygun çalışma modu seçilerek, enerji tasarrufu sağlanabilir. 

Bu tez çalışmasında bu sebeple, mevcut soğutma fan sistemlerinde kullanılan geleneksel AC motorların yerine kullanılması amacıyla, 250 W çıkış gücü değerindeki dış rotorlu bir FDAM tasarlanmış, analizleri yapılmış ve sonuçlar asenkron motorla karşılaştırmalı olarak verilmiştir. Çıkış gücü sabit tutularak, asenkron motor ve farklı mıknatısların kullanıldığı FDAM'ler ile performans ve maliyet karşılaştırmaları yapılmıştır. Tasarım ve analiz çalışmaları için Ansys Electronics Desktop programı kullanılmıştır. Ansys RMxprt yazılımı ile FDAM'nin tasarım parametreleri analitik olarak hesaplanmış ve motor geometrisi oluşturulmuştur. Oluşturulan bu geometri Ansys Maxwell yazılımına aktarılıp FDAM'nin iki boyutlu elektromanyetik analizleri gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
Considering that a significant portion of global energy is consumed by electric motor systems, especially those used in industrial applications, focusing on the energy efficiency of motor systems has become critically important. A large share of the electricity consumed in industry is used by asynchronous motors. In fan applications, asynchronous motors are particularly inefficient and their speeds are not controlled for different cooling requirements. This situation has increased the importance of studies on energy efficiency and controllable smart system applications in fan systems. In conventional applications, AC fans are used to adjust air performance for different cooling requirements. However, in these applications, the control of these fans is typically based on simple "on/off operations" without any control over their speeds. In modern applications, EC (Electronically Commutated) fans are used to achieve optimal cooling performance, where the speeds of all fans in the system are continuously controlled in both closed-loop and open-loop control systems. In the context of EC technology, terminologies like PM (Permanent Magnet Motor), ECM (Electronically Commutated Motor), and BLDC (Brushless DC Motor) are frequently used. The control of EC fans is achieved through a "modular operation" system, where the speeds of the fans are individually controlled. With modular operation, the fans in the system can operate at their most optimal and efficient points, resulting in energy cost savings. For this purpose, brushless DC motors used in fan systems offer higher efficiency compared to traditional AC motors and enable electronic control of the system. These characteristics allow the motor's speed and torque to be precisely adjusted, optimizing energy consumption for different cooling requirements. The use of smart control algorithms and sensors allows BLDC motors to dynamically adapt to operating conditions and select the most suitable operating mode, achieving energy savings.

In this thesis, a 250 W outer rotor BLDC motor has been designed, analyzed, and the results are presented in comparison with an asynchronous motor to replace the conventional AC motors used in existing cooling fan systems. By keeping the output power constant, performance and cost comparisons were made between the asynchronous motor and BLDC motors using different magnets. The design and analysis studies were conducted using Ansys Electronics Desktop software. The design parameters of the BLDC motor were analytically calculated using Ansys RMxprt software, and the motor geometry was created. This geometry was then transferred to Ansys Maxwell software for two-dimensional electromagnetic analyses of the BLDC motor.