Ardışık Kutuplu Daimi Mıknatıslı Elektrik Motoru : Üst Düzey Performans İçin Geleceğe Yönelik Tasarım

Son yıllarda, sabit mıknatıslı elektrik makineleri, yüksek güç yoğunluğu, yüksek verimlilik seviyesi ve yüksek güvenilirlik gibi sayısız avantajları nedeniyle çok çeşitli endüstriyel uygulamalarda önemli ölçüde popülerlik kazanmıştır. Ancak, son ekonomik krizler motor maliyetlerini önemli bir rekabet faktörü haline getirmiştir. Mıknatısların fiyatı, dengesiz malzeme arzı nedeniyle artmıştır [1]. Maliyetteki bu artış, sabit mıknatıslı makineleri olumsuz etkileyerek maliyet-etkinlik kriterlerini düşürmüştür.

Bu sınırlamayı karşılamak üzere, ardışık kutuplu daimi mıknatıslı makineler (CPM: Consequent Pole Permanet Magnet Machines) gibi alternatif topolojiler araştırılmış ve bunlar Rotor Yüzeyinde Sabit Mıknatıslı motorlar ( SPM :Surface Permanet Motor) için uygun adaylar olarak temayüz etmişlerdir. Aslında, adından da anlaşılacağı gibi, CPM'de, ek kutuplar olarak görev yapan ferromanyetik parçaların yardımıyla, aynı mıknatıslama yönüne sahip mıknatıs kutupları sürekli yön değiştirir bir düzende tasarlanırlar. Sonuç olarak, motor Şekil 1 (b)'de gösterildiği gibi mıknatıs miktarı olarak yarıya düşecek şekilde oluşur.

SPM (a) ve CPM (b)'e ait Rotor Konfigürasyonları

Motor Tasarım Özellikleri

Aşağıda, aynı geometrik parametreleri paylaşan ancak manyetik kutup sayısına göre farklılık gösteren iki elektrik motoru incelenmektedir: 10 mıknatıs ile karakterize edilen SPM ve 5 mıknatıs barındıran CPM. Stator, çift katmanlı konsantre sargı konfigürasyonu ile karakterize edilmiş ve özellikleri her iki yapı için de aynı tutulmuştur. Rotor ve stator çekirdekleri M36'dan oluşurken mıknatıs malzemesi N4212'dir. Motor özellikleri aşağıdaki tabloda gösterilmektedir.

Tablo: Motor Özellikleri CPM & SPM

EMWorks Çözümü ve Sonuçları

EMWorks2D'nin SOLIDWORKS’te hareket analizi ile birleştirilmiş geçici hal/tranzient manyetik incelemesi , 2D konfigürasyona dayalı olarak yüksüz ve yüklü koşullar altında her iki model performansını simüle etmek ve karşılaştırmak üzere aşağıdaki adımlarda gerçekleştirilmiştir.

 

Yüksüz Analiz

Şekil 2: CPM & SPM için Vuruntu Moment Eğrileri

Vuruntu momenti (cogging torque) açık devre koşullarında değerlendirilen ve mıknatıslar ile stator dişleri arasındaki etkileşimden kaynaklanan önemli bir parametredir. Bu moment yük altında çalışma sırasında dalgalanmaların artmasına neden olabileceğinden istenmeyen bir durum olarak kabul edilir. Şekil 2'de her iki topoloji için öngörülen vuruntu momenti gösterilmektedir. Grafikten, CPM'nin tepeden tepeye vuruntu momentinin SPM'ye kıyasla belirgin şekilde azaldığı görülmekte olup mıknatıs miktarı yarıya düştüğü için bu sonucun meydana gelmesi olağandır.

Şekil 3 : CPM ve SPM için Faz Ters EMF Karakteristikleri

Şekil 3, her iki ters elektromotor kuvveti (back EMF)’ne ait dalga biçiminin de 500 rpm hızda sinüzoidal bir şekil aldığını göstermektedir. SPM motoru tarafından üretilen maksimum ters EMF'nin CPM topolojisinden %17,7 daha yüksek olduğu fark edilebilir.

Yüklü Analiz

Şekil 4:  SPM & CPM için Faz Akı Bağlanımı Eğrisi

Şekil 4, yük altında her iki makine için faz akı bağlanımına ait dalga şekillerini göstermektedir. Burada stator sargısı 20 A'e eşit bir akımla beslenmiştir. SPM'nin maksimum akı değeri 0,186 weber'dir. Öte yandan, demir kısımların güney kutbu olarak işlev gördüğü CPM'de maksimum akı değeri 0,175 Wb'ye ulaşır.

Şekil 5: SPM & CPM için Elektromanyetik Moment Eğrisi

Ardışık kutuplu motorun (CPM ) yük altındaki performansı, elektromanyetik momentin tahmin edilmesi üzerinden değerlendirilir. Moment açısı, amper başına maksimum moment karşılık gelen çalışma noktası değerine ayarlanır. Şekil 5, her iki makine topolojisi için, meydana gelen elektromanyetik moment konumlarının tahmine dayalı karakteristik özelliklerini göstermektedir. SPM için ortalama moment 22,7 Nm iken, CPM durumunda 17,9 Nm'ye eşittir.

Şekil 6: SPM için Yüksüz Çalışmada Akı Dağılımı

                                      

Şekil 7: CPM için Yüksüz Çalışmada Akı Dağılımı

Şekil 6 ve 7, bahsedilen topolojilerin manyetik akı çizgisi dağılımını ve akı yoğunluğu haritalamasını göstermektedir. SPM'nin CPM'ye kıyasla daha yüksek bir doygunluk seviyesi tanımladığı fark edilebilir, çünkü bu topolojde CPM’in iki katı mıknatıs miktarı kullanılmaktadır. Kutup malzemesindeki değişikliğe rağmen toplam oluk ve kutup sayısı aynı kaldığından, akı çizgileri her iki makine için de benzer davranış sergilemektedir.

Sonuç

Geleneksel rotor yüzeyinde sabit mıknatıslı motor ile ardışık kutuplu bir motor arasında sonlu eleman analizine dayalı bir karşılaştırma, açık devre ve akım ikaz modlarında oluşturulmuştur. EMWorks2D platformu ile moment, ters EMF, akı bağlanımı ve akı yoğunluğu gibi elektromanyetik özellikler tahmin ve analiz edilmiş ve karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, ardışık kutuplu makinenin (CPM ), makul bir fiyatla ilginç performans seviyelerini karşıladığı için geleneksel motorlara verimli bir alternatif olduğu sonucuna varılmıştır.