Yüksek hızlı kütlesel rotorlu asenkron motorlarda rotor başarımının artırılmasına yönelik katkılar

Abstract

Endüstriyel tahrik sistemlerinde son yıllarda yaşanan teknolojik gelişmeler, daha yüksek çalışma hızları, daha kompakt yapılar ve daha yüksek güç yoğunlukları gereksinimini beraberinde getirmiştir. Bu doğrultuda, mekanik iletim elemanlarını ortadan kaldıran dişlisiz ve doğrudan tahrikli sistemler; daha yüksek verim, düşük bakım gereksinimi ve artan sistem güvenilirliği sağlamaları nedeniyle birçok yüksek hızlı uygulamada tercih edilmektedir. Özellikle yüksek hızlarda çalışması gereken, mekanik dayanımın ve işletme güvenliğinin kritik olduğu uygulamalarda kütlesel rotorlu asenkron motorlar (KRAM), tek parça rotor yapıları, sağlam mekanik özellikleri ve hız ya da konum algılayıcısına ihtiyaç duymadan çalışabilmeleri sayesinde önemli bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. Bununla birlikte, kütlesel rotorlu asenkron motorların en önemli olumsuz yanı, rotor yapısının stator kaynaklı uzaysal ve zamansal harmonikleri etkin biçimde bastıramaması nedeniyle ortaya çıkan yüksek rotor kayıpları ve düşük güç faktörüdür. Yüksek hızlı çalışmada besleme frekansının artması, hava aralığında oluşan harmoniklerin etkisini artırmakta ve rotor içerisinde yoğun girdap akımlarına yol açmaktadır. Bu durum, motor verimini sınırlayan temel faktörlerden biri hâline gelmektedir. Literatürde bu olumsuzlukları azaltmaya yönelik olarak eksenel yarık yöntemi, yarık eğikliği, rotor kaplama ve uç halka uygulamaları gibi çeşitli yöntemler önerilmiş olsa da, bu yaklaşımlar genellikle mekanik sınırlamalar veya üretim zorlukları getirmektedir. Bu tez çalışmasında, yüksek hızlı kütlesel rotorlu asenkron motorların elektromanyetik başarımını iyileştirmek amacıyla sıralı ve sistematik bir rotor optimizasyon yaklaşımı benimsenmiştir. Çalışma, öncelikle referans bir kütlesel rotorlu asenkron motorun mekanik ve elektromanyetik analizleri ile başlamaktadır. Bu referans makine, tüm karşılaştırmalar için temel oluşturacak şekilde belirlenmiş ve güvenli yüksek hızlı çalışmayı sağlayacak biçimde değerlendirilmiştir. İlk optimizasyon aşamasında, rotor üzerinde açılan eksenel yarıkların genişliği ve derinliği parametrik olarak değiştirilmiş ve optimum yarık geometrisi belirlenmiştir. Bu aşamada, yarık geometrisinin manyetik akı dağılımı, elektromanyetik moment üretimi, rotor kayıpları ve güç faktörü üzerindeki etkileri ayrıntılı olarak incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda, dar ve derin yarıkların moment üretimini özellikle düşük kayma bölgelerinde belirgin biçimde artırdığı gözlemlenmiştir. İkinci aşamada, optimize edilen yarıklı rotor yapısına farklı yarık eğiklik açıları uygulanarak hava aralığı harmoniklerinin bastırılması ve moment dalgalanmasının azaltılması hedeflenmiştir. Yapılan analizler sonucunda, moment düzlüğünü iyileştiren ve kayıpları kabul edilebilir seviyelerde tutan uygun bir eğiklik açısı belirlenmiştir. Üçüncü aşamada ise, eğiklik içermeyen optimize yarıklı rotorun yarık genişliği rotor çevresi boyunca değişken hâle getirilerek makine başarımı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu yaklaşım ile beklenen başarım artışı tam olarak sağlanamamış ve bazı başarım kriterleri arasında olumsuz ödünleşimler ortaya çıkmıştır. Son aşamada, nihai makine başarım iyileştirmesini sağlamak amacıyla rotor uç bölgelerine bakır giydirme uygulanmıştır. Bu uygulama, rotor kayıplarının azaltılması, moment dalgalanmasının düşürülmesi ve genel verimin artırılması açısından olumlu sonuçlar vermiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışması, yüksek hızlı kütlesel rotorlu asenkron motorlarda rotor başarımının artırılmasına yönelik özgün ve aşamalı bir tasarım yaklaşımı sunmakta; rotor geometrisi optimizasyonu ile iletken malzeme uygulamasının birlikte kullanımının etkinliğini ortaya koymaktadır. Elde edilen bulgular, hem akademik literatüre katkı sağlamakta hem de yüksek hızlı endüstriyel tahrik sistemleri için uygulanabilir tasarım sonuçları sunmaktadır.