Çıkık Kutupku Senkron Makinaların Kesirli Oluklu Konsantre Sargı Tekniği Ve İlave Kalıcı Mıknatıslar Kullanılarak Geliştirilmesi

Abstract

İnsan oğlunun elektrik enerjisine olan ihtiyacı, her geçen gün biraz daha artmaktadır. Bunun sonucu olarak, yeni elektrik enerjisi santralleri kurulmalı ya da kurulu olan enerji santrallerinin verimi ve kapasiteleri arttırılmalıdır. Bir elektrik enerji santralindeki en önemli ünitelerden birisi, hareket enerjisini elektrik enerjisine çeviren generatörlerdir. Bu yüzden, kompakt, verimli ve daha ucuz elektrik makinalarından biri olan Kalıcı Mıknatıslı (KM) makinalara olan talep giderek artmıştır. Ancak, son yıllarda KM’ların fiyatlarında çok yüksek ölçüde artış olması sonucu, klasik sargılı makina tasarımları tekrar önem kazanmaya başlamıştır. Elektrik enerjisi üretim santrallerinden, yüksek güç yoğunluğu gerektiren motor uygulamalarına kadar bir çok alanda Çıkık Kutuplu Senkron Makinalar (ÇKSM) uzun yıllardır yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu makinalarda çıkış gücünü, rotordaki uyartım sargılarında endüklenen manyeto motor kuvveti belirler ve bu kuvvet uyartım sargılarının kesit alanı ile doğru orantılıdır. Genellikle, makinanın rotor kutup gövdeleri manyetik doymaya gider çünkü, makina boyutlarını arttırmadan maksimum manyeto motor kuvvetini elde edebilmek için rotor kutup gövdelerinin boyutları daha fazla uyartım sargısı sarılabilmesi için azaltılmalıdır. Manyetik doyma uyartım sargılarının kesit alanları genişletilerek (daha fazla sarım sayısı ile) azaltılabilir. Ancak, bu durumda makina boyutlarını ve dolayısı ile ağırlığını arttırmamak için rotor gövdelerinin boyutları azaltılmalıdır ki bu da rotor kutup gövdelerindeki manyetik akı yoğunluğunun artmasına sebep olur. Sonuç olarak, endüklenen manyeto motor kuvveti artsa bile, generatörün maksimum çıkış gücü artmaz ya da makina boyutlarında bir azalma olmaz. Bu durumda, makina verimi azalır ve/veya toplam makina ağırlığı artar. Manyetik doyma generatörün çıkış gerilimini sınırlar ve gerekli olan çıkış gerilimini sağlayabilmek için daha fazla uyartım gücünün kullanılmasını zorunlu kılar. Bu da rotorda ilave kayıplara neden olmakla beraber; makinanın veriminin azalmasına, toplam ağırlığının artmasına sebep olur. Bu tasarım sınırlamasının üstesinden gelebilmek; makinanın verimini arttırıp, ağırlığını azaltmak için Kesirli Oluklu Konsantre Sargı (KOKS) tekniği ÇKSM’lerde kullanılabilir. Ayrıca, hem kutupların doymasını önleyen hem de çıkış geriliminin artmasını sağlayan, birbirne komşu olan rotor kutup ayaklarının aralarına KM’lar yerleştirilerek KOKS tekniği ile tasarlanmış makinanın geliştirilmesi sağlanabilir. Dünyadaki doğal kaynakların sınırlı olduğu göz önüne alındığında, yüksek verimli ve ekonomik elektrik makinalarının, doğru malzeme seçimi ve iyi bir tasarımla üretilmesi gerekmektedir. Uygun manyetik ve fiziksel özelliklerle beraber yüksek enerji yoğunluğuna (BHmax) sahip olan KM lar günümüzde elektrik makinalarının uygulamalarında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Ayrıca, KOKS topolojisinin KM makinalarda kullanımı, bu tekniğin önemli özelliklerinden dolayı gün geçtikçe artmaktadır. Bu tezde, bir elektrik mühendisinin elektrik makinası tasarımında modern KM ları ve KOKS tekniğini nasıl tasarıma katacağı ayrıntılı bir şekilde açıklanmıştır. Son zamanlarda, kesirli oluk ve konsantre sargılı konfigürasyonlara sahip olan KM lı senkron makinalar, çeşitli uygulama alanlarında giderek önem kazanmaktadır. Bunun temel sebebi ise; bu konfigürasyonun yüksek moment yoğunluğu, yüksek verim, kolay ve ucuz fabrikasyon gibi çeşitli avantajları elektrik makinalarına kazandırmasıdır. Bir KM lı senkron makinanın üretiminde KOKS tekniği kullanıldığı zaman, yüksek oluk doldurma faktörü, segmentli stator yapılarıyla birleşir ve sonuçta; kısa sargı başı uzunlukları, düşük vuruntu momenti, iyi alan zayıflatma kapasitesi, toplam ağırlıkta azalma, basit yapı, yüksek verim ve yüksek geçirgenlikli demir nüveli makinalar elde edilebilir. Aynı teknik, aynı üstün gelişmeleri elde etmek için ÇKSM da uygulanabilir. Bu tezin ana odak noktası özellikle güç santralleri için tasarlanan Klasik Oluklu Dağıtılmış Sargılı (KODS) çıkık kutupku senkron generatör (ÇKSG), KOKS ÇKSG ve ek KM SPSM (eKM-KOKS) lerin incelenmesi üzerinedir. Bu tezde, her biri bir stator dişi etrafına sarılmış, kutup başına oluk ve faz sayısı birden küçük olan (q<1) çift tabakalı konsantre sargıların karakteristiklerinin analizleri incelenmiştir. Kesirli oluklu sargılar (q<1 için), tam adımlı (oluklu) sargılarla kıyaslanınca daha kısa bitiş sargılarına sahiptirler ve bu da makinanın bakır kayıplarının daha az olmasına ve daha ucuz imalat edilmesine imkan sağlar. KOKS tekniğinin yüksek güçlü ÇKSG lere uygulanması ve bu generatörlerin rotor kutup gövdelerinin doymaya gitmesini önleyen, rotor kutup başlarının arasına ek mıknatıslar yerleştirilmesiyle bu generatörlerin geliştirilmesi sunulmuştur. KOKS tekniği makinanın endüktansının artırarak, makinanın çıkış gücünü azaltmadan klasik senkron generatörlere (KODS) göre daha basit yapılı, daha hafif, ucuz ve yüksek verimli ÇKSG lerinin tasarımını mümkün kılar. ÇKSG lerde sık rastlanılan rotor kutup gövdelerinin doyması problemini çözmek ve çıkış gücünü düşürmeden daha kompakt, hafif ve ucuz (eğer KM fiyatları uygunsa) generatörler tasarlayabilmek için tasarlanan KOKS ÇKSG ün bir birine komşu olan rotor kutup başlarının aralarına KM lar yerleştirilerek makinanın geliştirilmesi sağlanmıştır. Ancak buradaki PM lerin görevi makinanın uyartımını sağlamak değildir. Bu mıknatıslar, özellikle rotor kutup gövdelerinde oluşan manyetik doymayı önlemek için kullanılmıştır. Ancak, kutup başı aralarına yerleştirilen bu mıknatısların yönlerinin (polarizasyonlarının) doğal sonucu olarak, sadece kutup gövdelerindeki manyetik doyma azalmakla kalmamış, aynı zamanda makinanın çıkış gerilimi ve gücü de artmıştır. KOKS tekniğinin ÇKSM lere uygulanmasına bir örnek olarak, oluk başına çift-tabakalı 2.4 MVA, 15 oluk, 8 kutuplu, 6.6kV/50Hz KOKS lı ÇKSG tasarlanmış ve aynı çıkış gücünü elde edecek şekilde, rotor kutup başları aralarına ek KM lar yerleştirilerek bu makinanın geliştirilmesi sağlanmıştır. Çıkış geriliminin elde edilmesinde büyük rol oyanayan sargı faktörü ve sargı harmonik bileşenleri hesaplanmıştır. Konsantre sargılara sahip bir makinadan erişilebilecek avantajlar gözönüne alınmıştır. Tasarlanan generatörlerin temel değerlerinin hesaplanmasında sonlu elemanlar yönetemi (SEY) kullanılmıştır. Endüklenen gerilim, yük akımı, hava aralığı manyetik akı yoğunluğu, kaçak akıların dalga şekilleri, endüklenen gerilimin harmonik dereceleri ve bunun gibi makina çıkış büyüklükleri, SEY programında gerekli hesaplamalar yapılarak incelenmiştir. Bunlara ek olarak, bu tezde iki boyutlu (2D) SEY modeli, tasarlanan makinaların elektromanyetik performansını analiz ve optimize etmek için geliştirilmiştir. Makinalar sadece SEY kullanılarak değil, analizi basit teorik ifadelerle ifade etmek için basit lineer olmayan manyetik devre ile de modellenmiştir. Kutup başı aralarına sonradan eklenen mıknatısların etkisini gözlemlemek için Frozen Permeability yöntemi kullanılabilir. Bir ek KM li (eKM-KOKS) generatördeki, KM ler tarafından üretilen rotor ve statordaki manyetik akı bilşenleri SEY ile Frozen Permeability yöntemi birleştirilerek hesaplanabilir. Tasarımı yapılan KODS, KOKS ve KOKS’un geliştirilmiş modeli olan eKM-KOKS generatörlerinin performans karakteristiklerinini yansıtan; tam yükteki endüklenen gerilimin dalga şekli, ağırlıkları, maliyetleri, toplam makina kayıpları ve demir nüvelerin doyum durumları gibi önemli konular ayrıntılı karşılaştırılmalarla sunulmuştur. Bu tez, senkron generatörlerin verimini düşürmeden ve makinanın optimal tasarımını engellemeden, generatör kutuplarının doyumunun azaltılması sorununu çözmeye çalışan makina tasarımcılarına yol gösterecek şekilde hazırlanmıştır. Ayrıca bu tezde, senkron makinaların manyetik ve mekaniksel özellikleri analiz edilmiştir. 2D SEY analiz sonuçları ve kıyaslamalar sayesinde, tasarlanan ve geliştirilen modellerin basit yapıda, yüksek verimli ve kompakt generetörler olduğu doğrulanmıştır. Bunlara ek olarak, KM talep ve fiyatları bu tezde ayrıca incelenmiştir. Alternatif teknolojiler geliştirilmediği sürece modern KM lara olan ilginin göz ardı edilemeyecek şekilde artacağı varsayımı verilen KM fiyat tabloları ile desteklenmiştir. Bu tezin temel amacı, bir ÇKSM’nin KOKS tekniği kullanılarak, çıkış gücü düşürülmeden, ağırlığını ve maliyetini azaltılıp, veriminin nasıl arttırılacağı hakkında temel bilgileri vermektir. Çok daha yüksek oluk doldurma faktörüne sahip olan konsantre sargılar kullanılarak, herbir stator dişine bir fazın bir faz bobini gelecek şekilde tasarım yapıldığında, hem üst üste kesişen ve karmaşık olan klasik sargıların çok daha basit bir sargı topolojisine nasıl dönüştürüleceği ve kesişmeyen, kısa bitiş sargıları sayesinde nasıl verimin arttılacağını basitçe açıklamak da bu tezin amaçları arasındadır. Tezin bunlardan farklı olarak diğer bir amacı da, tasarımı yapılmış bir KOKS ÇKSG’ün, birbirine komşu olan kutup ayaklarının arasına KM’lar yerleştirilerek makinanın geliştirilmesinin nasıl yapılacağını açık bir şekilde sunmaktır. Bu manyetik doymayı azaltma yöntemini sayesinde, terminal gerilimi, çıkış gücü, ve yüklenme kapasitesi gibi çıkış karakteristikleri geliştirilebileceği gibi, çıkış gücünü ve makina verimini azaltmadan makinanın boyutları küçültülebilir. Bu çalışmada, klasik sargılı generatörle aynı boyutlardaki bir KOKS generatörün çıkış karakteristiklerinin geliştirilmesi yerine, klasik generator ile aynı çıkış karakteristiklerine sahip ancak çok daha küçük boyutlarda ve ağırlıkta makinaların tasarlanması amaçlanmıştır.

Considering that the natural sources of the earth are limited, it is necessary to produce economical electrical machines with a high efficiency through a better design and a proper selection of materials. Now, permanent magnets have a high-energy product (BHmax) with suitable magnetic and physical properties for applications in electrical machines. In addition to this, use of fractional slot concentered winding (FSCW) topology in PM machines is gaining importance day by day because of its significant properties. This thesis considers a detailed study about how an electrical engineer could take modern permanent magnets (PMs) and FSCW technique into account when designing an electrical machine. The PM synchronous machines with fractional slot and concentrated winding configuration have been steadily gaining traction in various applications in recent times. This is mainly driven by several advantages offered by this configuration such as high-torque density, outstanding efficiency, and easy and low-cost fabrication. By implementing the FSCW technique to a PM machine, high slot fill factor and short end turns when coupled with segmented stator structures, low cogging torque, good flux-weakening capability, decreasing in the weight, simple structure, higher efficiency, and higher permeability of the iron cores may be obtained. Same method can be implemented the salient-pole synchronous generators (SPSG) to be able to achieve the same developments. The main focus of this thesis is dedicated to the investigation of three kinds of topologies including conventional slot distributed winding (CSDW) SPSG, FSCW SPSG and additional PM FSCW (aPM-FSCW) SPSG specifically suited for power plants. This thesis analyses the characteristics of a concentrated two-layer winding, each coil of which is wound around one tooth and which has a number of slots per pole and per phase less than one (q < 1). Compared to the integer slot winding, the fractional winding (q < 1) has shorter end windings and this, thereby, makes space as well as manufacturing cost saving possible and provides low copper losses. Implementation of FSCW technique to large SPSGs and development of the generators by using additional PMs placed between the rotor pole-shoes to prevent the saturation of the pole bodies is presented in this thesis. Compared to the conventional synchronous generators, FSCW technique makes it possible to increase the machine inductance in order to achieve lighter, cheaper and high-efficiency SPSGs with more simple structure without reducing the output power. To overcome saturation of the rotor pole-body problem which is well-known in the SPSGs and to achieve more compact, lighter and cheaper (if PM prices are reasonable) generators without decreasing the output power, designed FSCW SPSG has been developed by inserting additional PMs between the rotor-pole shoes. Nevertheless, the PMs are not xxiv used for the field excitation. They are mainly used for the reduction of magnetic saturation at the rotor-pole bodies. However, as a natural result of the position of the PMs placed between the pole-shoes, they do not only reduce the magnetic saturation in the pole bodies but also increase the terminal voltage and also output power. As an example to implementation of FSCW technique to large SPSGs, a two-layer per slot 2.4 MVA, 15 stator slots, 8 poles, 6.6kV/50Hz SPSG with FSCWs is designed and it is developed with placing additional PMs between rotor pole-shoes to provide the same output power. The winding factor and the winding harmonic components, which are very important to obtain the terminal voltage, are calculated. The benefits attainable from a machine with concentrated windings are considered. The finite element method (FEM) is used to solve the main values of the generators. The waveform of the induced voltage, load current, air-gap flux density, flux linkages, harmonics order of the induced voltage and etc. are plotted after required calculations on FEM program. Furthermore, a 2D FEM model is developed to analyze and optimize the electromagnetic performance of the designed machines in this thesis. The machines are modeled not only by FEM but also by a simple nonlinear magnetic circuit in order to express the effects of PMs by simple theoretical expressions. To be able to examine the effect of the additional PMs between the pole shoes, the Frozen Permeability Method is used. The rotor and the stator flux components produced by PMs are computed by linear FEM with frozen permeability in an additional PM-FSCW (aPM-FSCW) generator. Detailed comparisons of the performance characteristics of the designed machine CSDW, FSCW and its developed model machine (aPM-FSCW) are presented that include important issues such as the waveform of the induced voltage at full-load, weight and the cost of the machines, all machine losses and saturation status of the iron cores. Guidelines are developed to help machine designers faced with reducing the saturation of the synchronous generator poles without reducing the efficiency and optimal design of the machine. Also in this study, the magnetic and mechanical properties of synchronous machines are analyzed. The results from 2D FEM and the comparisons have validated that the proposed and developed models are a compact and efficient generators with very simple structures. Furthermore, the price guidepost of the modern PMs, which indicates that there will be a large demand for magnets unless alternative technologies prevail, has been shown as this thesis.