Yüksek hız uygulamaları için yüksek güç yoğunluklu yeni bir anahtarlamalı relüktans motorunun geliştirilmesi
Development of a new switched reluctance motor with high power density for high speed applicationns
Yazar: YUSUF YAŞA
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MUHAMMET GARİP
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Elektrik makineleri = Electric machinery ; Elektrik motorları = Electric motors ; Elektrik mühendisliği = Electricity engineering

Özet:
Yüksek hız kavramı, son yıllarda üretim teknolojisindeki gelişmelerin elektrik makinalarına bir yansıması olarak değerlendirilebilir. Akıllı telefonlardan internete, iletişimden ulaşıma, üretimden tüketime, kısacası hayatımızın en ücra köşesine dahi nüfuz eden yüksek hız gereksinimi çağımızın vazgeçilmezi hükmündedir. Bu tez çalışması, yüksek hız uygulamasına özgü, teknolojinin gelişimine uyum sağlamış yeni bir yüksek güç yoğunluklu anahtarlamalı relüktans makinasının (ARM) ve sürücüsünün geliştirilmesini kapsamaktadır.
Elektrik makinalarının tasarımı, başta elektriksel-elektromanyetik olmak üzere, mekanik, termal ve akustik problemleri de bünyesinde barındırmaktadır. Ancak geleneksel elektrik makinası tasarımlarında çoğunlukla elektriksel ve elektromanyetik olarak inceleme yapılmaktadır. Tasarımı yapılan elektrik makinasının mekanik, termal ve akustik bilim dallarındaki limitlere yaklaşmadığı varsayımı yapılmaktadır. Bu yaklaşım konvansiyonel elektrik makinaları için kısmen doğru karşılanabilir. Ancak yüksek hızlı elektrik makinalarının geliştirilmesi esnasında tasarımcı bahsedilen beş bilim dalını beraber irdelemek durumunda kalmaktadır. Bu durum, elektrik makinası tasarımını oldukça zorlaştırmaktadır. Bu tezde tasarımı yapılan yüksek hızlı elektrik makinası beş bilim dalı gözönüne alınarak incelenmiş/analiz edilmiş ve yorumlanmıştır.
Yüksek hızın doğal bir sonucu olarak ortaya çıkan yüksek uyartım frekansı, elektrik makinasındaki demir kayıplarını arttırmaktadır. Gerek bu sorunu çözebilmek gerekse yüksek güç yoğunluğu elde edebilmek amacıyla endüstriye yeni kazandırılmış malzeme kaliteleri araştırılmış, yüksek güç yoğunluğu ve minimum demir kaybı sağlayan kobalt-demir alaşımlı laminasyon malzemesi ilk kez bir yüksek hızlı elektrik makinasında bu tez çalışmasında kullanılmış, test edilmiştir.
Tez akışı şu şekilde sıralanabilir: Elektrik makinalarında yüksek hız kavramının tanımı; elektrik makinalarında yüksek hızın sağladığı avantaj ve dezavantajlar ve yüksek hız endüstriyel uygulama alanları, bu konuda yapılmış çalışmalar ve bu çalışmaların sınıflandırılması birinci bölümde verilmektedir. İkinci bölümde, yüksek hız uygulama alanlarından biri olan CNC tezgahları için yüksek hızlı anahtarlamalı relüktans motoru geliştirilmiştir. Anahtarlamalı relüktans motorunun uygulama gereksinimleri gözönüne alınarak yapılan tasarım, optimizasyon ve analizler sonuçları yine bu bölümde sunulmaktadır. Üçüncü bölümde, anahtarlamalı relüktans motorunun ve sürücüsünün üretim aşamaları anlatılmıştır. Son olarak, kurulan test düzeneği ve test sonuçları sunulmuş ve tez çalışması süresince elde edilen çıktıların yorumları sonuç bölümünde özetlenmiştir.

Abstract:
High speed concept can be seen in recent years as a reflection of the developments in production technology on electric machines. From smart phone to the internet, from communication to the transportation, from production to the consumption, in short, high speed which penetrates our whole life is the indispensable part of our time. This thesis study includes the development of a new high-power density electric machine and its driver, which is suitable for high speed applications, adapting to the technology development.
The design of electric machines includes electrical, electromagnetics, mechanical, thermal and acoustical problems. However in traditional electric machine designs, mostly electrical and electromagnetics point of views are the only considerations. This approach may be partially reasonably acceptable for conventional electric machines. However for the high speed electric machine development, the designer has to deal with these five sciences together. This makes electric machine design very difficult. In this thesis, the high speed electric machine design is investigated, analyzed and interpreted considering multidisciplinary approach.
The high-frequency electrical supply, which emerges as a natural result of high speed, increases the iron losses in the electric machine. To minimize core losses and to reach high power density, new high-quality lamination materials are investigated. In thisthesis, the cobalt-iron composite lamination material, which provides high power density and minimum iron loss, is firstly used and tested in a high speed electric machine.
The flow of the thesis can be summarized as follows: Definition of high speed concept in electric machines; the advantages and disadvantages of high speeds in electric machines and high speed industrial application areas, the literature summary and classification of high-speed electric machines are given in the first part. In the second chapter, switched reluctance motor is developed for CNC machine applications which is one the application areas of high speed electric machines. The design, optimization and analysis results of the switched reluctance motor are presented in this section. In the third chapter, switched reluctance motor and its driver prototyping stages are given. Finally, the test setup and test results are presented in the same section, and the interpretations of the outputs obtained during the thesis work are summarized in the conclusion.