Yüksek Verimli Manyetik Dişli Kutusu Tasarımı

Abstract

Elektrik makinelerinin tasarımında moment/hacim veya güç/hacim oranının yüksek olması beklenir. Elektrik makinaları, yük momentini karşılamada yetersiz kaldıklarında ara eleman olarak dişliler kullanılır. Sanayide yoğun olarak kullanılan dişliler momenti veya hızı belli oranda arttırabilir veya azaltabililler. Böylece elektrik makinesiyle yük arasındaki dengeyi sağlarlar. Mekanik dişliler akustik gürültüsü, sıkça yağlama ve bakım gerektirmesi ve aynı zamanda bakım maliyetinin yüksek olması gibi dezavantajlara sahiptir. Manyetik dişliler ise dişliler arasında fiziksel temas olmadığından hem sessiz çalışırlar hem de yağlama ve bakım gerektirmezler. Maynetik dişliler klasik dişlilere göre daha yüksek güç/hacim oranına sahiptir, dolayısıyla mekanik dişlilere iyi bir alternatif . olma potansiyeline sahiptir. Manyetik dişliler birden çok tasarımlara sahiptir; bunlara örnek olarak yüzeysel mıknatıslı, spur, planetary, spoke tipleri verilebilir. Bunlardan en çok bilineni yüzey mıknatıslı manyetik dişlilerdir. Manyetik dişlilerde farklı çeşitte mıknatıslar kullanılmaktadır. Bunlar arasında Neodyum-Demir-Bor (NdFeB), Samarium Kobalt(SmCo) ve Alüminyım-Nikel-Kobalt (Alnico) sayılabilir. NdFeB mıknatıslar hem yüksek akı sağlaması hem de ters manyetik alana dayanma kabiliyeti çok iyi olması nedenleriyle elektrik makinelerinin tasarımında sıklıkla kullanılırlar. SmCo mıknatıslarının en belirgin özelliği ise sıcaklık arttışına karşı performanslarını koruyabilmeleridir. Fakat NdFeB’lardan pahalıdırlar. Bundan dolayı askeri ve tıbbi sanayinin özel uygulamalarında kullanılırlar. Alnico ticari bakımdan en eski mıknatıslardan biridir ve manyetik çeliklerin ilk versiyonlarından geliştirilmişlerdir. İçeriğinde barındırdığı ilk elementler: isminden anlaşıldığı gibi; alüminyum (Al), nikel (Ni) ve kobalt (Co) elementleridir. Kalıcı mıknatısiyetleri yüksek olmasına karşın, görece düşük akı değerlerine sahiptirler ve en büyük dezavantajları kolayca demanyetize olmalarıdır. Fakat, ısıya dirençlidirler ve iyi mekaniki özelliklere sahiptirler. Klasik manyetik dişliler üç adet dönebilen kısmdan oluşmaktadır. İki parçası hareketli ve bir parçası sabittir. Hareketli kısma rotor ve sabit olan kısma stator denir. Bazı uygulamalarda, dış kısım stator görevini görürken orta kısm ve iç kısım rotor görevini görür. Diğer uygulamalarda ise orta kısım sabit tutulurken iç ve dış kısımlar döndürülür. Bu tezde, manyetik dişlilerin kullanılagelen klasik konfigürasyonlarına nazaran daha yüksek moment ve verim elde edilebilen yeni bir manyetik dişli konfigürasyonu önerilmiş ve analizi yapılmıştır. Birinci bölümde, giriş yapmakla birlikte manyetik dişlinin tarihi başlangıcından günümüze kadar incelenmiştir. Manyetik dişlilerin gelişmesinde ve yaygınlaşmasında etkin rolü olan çalışmalar ve yayınlar değerlendirmiştir. Yine bu bölümde, bu çalışmanın yapılmasındaki amaç ve hedeflerden bahsedilmiştir. Buna ek olarak, birinci bölümün son kısmında, proje boyunca kullanılan analiz programı tanıtılmıştır. İkinci bölümde, manyetik dişliler ile ilgili matematiksel eşitlikler ve parametrelerin anlamları verilmiştir. Daha sonra, manyetik dişlilerin modellenmesinde kullanılabilecek basit eşdeğer devre açıklanmıştır. Genel olarak manyetik dişlinin rotorlarındaki toplam çift kutup sayısı statordaki kutup sayısına eşit alınır. Üçüncü bölümde, farklı konfigürasyonların tasarım kriterleri, simulasyon şartları ve sonuçları sunulmuştur. Öncelikle klasik manyetik dişli olarak kabul edilen yüzeysel mıknatıslı manyetik dişlinin geometrik ve manyetik özellikleri referans bir kaynaktan elde edilmiş ve statik analizi yapılmıştır. Statik analizde rotorun biri sabit bir hızda döndürülürken diğer rotor hareketsiz bırakılır. Moment grafiği sinüs şeklindedir. Statik analiz tamamlandıktan sonra sonuçlar referans kaynaktaki sonuçlar ile karşılaştırılmştır. Sonuçların tutarlı olduğu görülmüştür. İkinci aşama olarak yüzeysel mıknatıslı manyetik dişlinin analiz sonuçları referans kabul edilip farklı konfgürasyonlar ile elde edilebilecek iyileştirmeler araştırılmıştır. Farklı konfigürasyonlar denenirken mıknatıs hacminin aynı kalmasına dikkat edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre V şeklinde gömülü mıknatıslı manyetik dişli klasik manyetik dişliye göre en yüksek momenti sağlamıştır. Statik analiz sonuçlarına göre momentte %9.5’luk bir artış sağlanmıştır. Daha sonra yeni konfigürasyonun kararlı ve geçici hal analizi yapılmıştır. Kararlı hal analinde iç ve dış rotor çevirme oranına göre belirlenen hızlarda döndürülerek elde edilir. Geçici hal analizinde ise manyetik dişlinin rotorlarından birine yük bağlanarak yapılmıştır. Diğer rotor belirli bir hızda döndürüldüğünde yükün bağlı olduğu rotorun hızına bakılır. Böylelikle yük, eylemsizlik ve sönümleme katsayısının manyetik dişli davranışına etkisi incelenir. Yapılan anlizde moment ve hız başlangıçta osilasyon yapsa bile yük momenti, eylemsizlik ve sönümleme katsayısına göre belirli bir değere oturmuştur. Gerek kararlı hal gerekse de farklı yüklerde için yapılan geçici hal analiz sonuçları tutarlı bulunmuştur. Çevirme oranı her iki durumda da teorik çevirme oranı olan 5.5’a yakın bulunmuştur. Sonraki analizlerde, yeni tip (IPM) manyetik dişlinin analizlerine geçilecek ve farklı yüklerde elde edilen analiz sonuçları verilecektir. Son olarak V şeklinde gömülü mıknatıslı manyetik dişlinin verimlilik analizleri yapılmıştır ve klasik manyetik dişli ile karşılaştırılmıştır. Bunun için kararlı hal analizinden yararlanılmıştır. Verim analizinde histerezis ve girdap akımı kayıpları hesaba katılırken kayıpların hıza bağlı olarak nasıl değiştiği araştırılmıştır. Son bölümde ise sayısal sonuçlar değerlendirilmiş ve ilerde yapılacak çalışmalar için bazi onerilerde bulunulmuştur. Elde edilen sonuçlara göre V şeklinde gömülü mıknatıslı manyetik dişli klasik manyetik dişliye göre herhangi bir maliyet artışına neden olmamıştır. Önerilen manyetik dişlinin verimi çevirme oranı 5,5 kalacak şekilde belirlenen üç faklı hız için hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde, klasik manyetik dişli verimine göre 60/330 min-1 de %2’lik bir artış, 1200/6600 min-1 de %6’lık bir artış, % 2400/13200 min-1 de ise %15’lik bir artış sağlanmıştır. Önerilen yeni konfigürasyon özellikle yenilenebilir enerji kaynaklarından olan rüzgar enerjisi dönüşüm sistemleri için uygundur. Çünkü rüzgar hızı genellikle generatörün (özellikle asenkron generatör) anma hızına göre düşüktür ve dolayısıyla generatör verimli çalışabilmesi için dişli kutusu gereklidir. Manyetik dişlilerin mekanik dişlilere göre zaten mevcut olan pek çok avantajın yanısıra ve önerilen konfigürasyonun veriminin 1500 min-1 de %90 civarı olması önemli bir gelişmedir. Bu da önerilen konfigürasyonun rüzgar türbinlerinde kullanılagelen mekanik dişlilere iyi bir alternatif olabileceğini göstermektedir. Bu çalışma daha sonra yapılması planlanan manyetik dişli gömülü motor/generatör çalışmalarına önayak olacaktır. Manyetik dişli ile sürekli mıknatıslı generatörü ayrı ayrı kullanmak yerine birleştirilerek hem maliyet azaltılabilecek hem de yerden tasarruf sağlanabilecektir. Böylece rüzgar türbinlerinin yaygınlaşmasına ve termik santrallerin neden olduğu hava kirliliğinin azaltılmasına katkıda bulunulabileceği düşünülmektedir.

In the field of electric machine design, increasing torque density and efficiency is one of important aims. When machines fail to meet torque density requirements or are simply incapable of matching load torque, gears are commonly used. Gears are used abundantly in industry, because they can change speed and torque according to application requirements. However, mechanical gears have some disadvantages such as acoustic noise, high cost of maintenance, frequently maintenance needed and also low reliability. Consequently, Magnetic Gears (MG) have been proposed as a means of increasing torque density within electromechanical systems, while avoiding problems associated with traditional mechanical gears. Magnetic gears have many advantages in comparison with mechanical gears that will be discussed in following sections. In this thesis, a newly configured magnetic gear will be proposed which has higher torque capability and better efficiency in compared with other magnetic gears. In the first chapter, a brief introduction is given and history of magnetic gear will be explained, also, objectives of using magnetic gears will be discussed. Then background knowledge about gears which can help us to have better understanding about principles of magnetic gears will be presented. In the second chapter, mathematical computation and formulation of flux generation in magnetic gear will be explained. Moreover, equivalent circuit of Magnetically Geared Permanent Magnet Generator (MGPMG) will be explained. In the third chapter, design technics, simulation results of newly configured magnetic gear with new capability and also efficiency analyses will be presented. First of all, analyses which have been done on conventional form are presented. Then, proposed configuration will be introduced, additionally; result of static, steady state and transient analyses will be presented. Lastly, result of efficiency calculations and comparison will be given also in this chapter. In the last chapter, new and recommended ideas which are better to be done in further works is discussed.