72 oluklu, 2 kutuplu asenkron motorlarda farklı sayıda rotor oluklarının uzay harmonikleri üzerine olan etkilerinin tespti

Abstract

Günümüz dünyasında artan nüfusun en önemli getirisi enerjiye olan ihtiyacın giderek artmasıdır. Fosil yakıtların gerek doğaya zararlı etkileri gerekse dünya üzerinde sınırlı miktarda bulunması, yenilenebilir enerji sistemlerinin giderek daha popüler olmasına sebep olurken, enerji dönüşümü yapılmasını sağlayan araçların da verim ve performans artışını zorunlu hale getirmiştir. Elektrik enerjisi ve mekanik enerji arasındaki dönüşümde şüphesiz en önemli rolü üstlenen elektrik makineleri arasında; üretim kolaylığı, bakım gerektirmemesi, düşük maliyeti sebebiyle asenkron makineleri yaygın olarak kullanılan bir elektrik makinesi haline getirmiştir. Asenkron makineler durağan kısmı stator ve hareketli kısmı rotor olmak üzere iki temel bileşenden oluşur. Statorda oluşturulan manyetik alan, stator ve rotor arasındaki hava aralığından rotora geçerek, rotor manyetik devresi üzerinden tekrar statora geri dönerek devreyi tamamlar. İdealde, hava aralığında bulunan manyetik akı yoğunluğunun saf sinüs biçimli olması istenir ancak motor sargıları saf sinüs biçimli bir kaynak ile beslense dahi oluşan manyetik alan saf sinüs biçimli olamaz. Bunun sebebi makine içerisindeki oluk yapısı ve yerleştirilen sargıların sinüs biçimli olmamasıdır. Hava aralığında oluşan manyeto motor kuvvet sinüs biçimini andıran basamaklı periyodik bir dalga olarak şekillenir. Oluşan bu basamaklı dalga şekli Fourier Dönüşümü ile açıldığında harmonik bileşenleri elde edilecektir. Elde edilen bu harmonik bileşenler kaynak geriliminden bağımsız olarak motor geometrisi sebebiyle ortaya çıktığından uzay harmonikleri olarak isimlendirilirler. Uzay harmoniklerinin varlığı makinede birçok istenmeyen etkilere sahiptir. Bu etkiler istenmeyen titreşim ve akustik gürültüler olarak özetlenebilir. Titreşim ve akustik gürültülerin varlığı ile hem makinenin çıkış performansını hem de verimini azaltacaktır. Sadece kararlı çalışma durumunda değil aynı zamanda kalkış ve frenleme durumlarında da meydana gelebilecek bu zararlı etkileri azaltmak adına birçok yöntem mevcuttur. Bu yöntemlerden en yaygın olarak kullanılanlar, sadece çift tabakalı sargılara uygulanabilecek olan kirişleme yöntemi, rotor iletkenlerine uygulanan kaykı örnek verilebilir. Bu yöntemlerden bir tanesi de motorun tasarım başlangıcında belirlenen uygun stator/rotor oluk kombinasyonu seçimidir. Bu çalışmada 72 stator oluklu, 2 kutuplu, 3 fazlı asenkron motor farklı oluk sayılarına sahip rotorlar ile analitik ve sonlu elemanlar yöntemi ile analiz edilmiştir. Sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak elde edilen hava aralığı manyetik akı yoğunluğu dalga şekilleri Fourier Dönüşümü ile harmoniklerine açılmış rotor oluk sayılarının harmonik bileşenlere olan etkileri karşılaştırma yapılarak tespit edilmiştir. Buna ek olarak, tasarlanan her motorun verimi, moment dalgalılığı gibi performans kriterleri karşılaştırılarak bahsedilen stator yapısına ve seçilen motor kriterlerine göre en uygun rotor oluk sayıları tespit edilerek, literatürde stator/rotor oluk sayısı kombinasyonu seçiminde belirlenen kurallar ile ne kadar uygun olduğu karşılaştırılmıştır. Yapılan karşılaştırma sonucunda 3 fazlı, 2 kutuplu ve 72 stator oluğuna sahip bir asenkron motor için 58, 60, 78, 86, 94, 96, 98 rotor oluklu tasarımların diğer tasarımlara göre moment dalgalılıkları ve geçici hal çalışma durumlarında üretilen elektromanyetik momentin tepe değerleri daha düşüktür. Seçilen bu 5 farklı rotor oluk tasarımları arasında 94 rotor oluğu en düşük moment dalgılılığına sahiptir ve en uygun rotor oluk sayısı olarak belirlenmiştir.