Rotor induction machine for high speed drive applications

Abstract

Son yıllarda, imalat ulaşım ve süreç endüstrisindeki gelişmeler tahrik sistemleri için en uygun çalışma hızında artışı beraberinde getirmiştir. Bu bağlamda, yeni geliştirilen yüksek hızlı, dişlisiz, kayış-kasnak düzeneğinin bulunmadığı veya doğrudan tahrikli elektriksel sürüş sistemlerinin yapısal hacimlerindeki azalma nedeniyle şu sıralar oldukça bilinirliği artmıştır. Kütlesel Rotorlu Asenkron Motorlar mekanik ve ısıl baskılara karşı oldukça dayanıklı olması nedeniyle yüksek hız ve yüksek basınç talep eden uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Kütlesel rotor genellikle tek tip ferromanyetik bir malzemeden tek parça olarak imal edilir. Sahip olduğu rotor yapısından dolayı kütlesel rotorlu asenkron motorlar, diğer yüksek hızlı makinelere göre üretimi kolay, düşük maliyetli ve güvenilirdir. Ayrıca, yüksek hızda çalışmalarına rağmen düşük seviyede gürültü ve titreşime sahiptirler. Bu motor tipinin bir başka üstünlüğü ise sürekli mıknatıslı makinelerin çoğundan farklı olarak rotor hız-konum algılayıcısı olmadan sürülebilmesidir. Girdap akımları kütlesel rotor üzerinde serbestçe akabildiği için, rotor kayıplarının büyük kısmı hava aralığında oluşan uzay harmoniklerinden kaynaklanmaktadır. Yüksek hız uygulamalarına gelince, sürüş frekansındaki artıştan dolayı rotor kayıplarında da ciddi bir artış vardır. Hava aralığı akı yoğunluğundaki harmoniklerinin azaltılması, yüksek hızlı uygulamalarda Kütlesel Rotorlu Asenkron Motor'un toplam verimini arttıracağı aşikardır. Bu tezde, öncelikle Yüksek Hızlı Kütlesel Rotorlu Asenkron Motor'un tasarım ve başarım hesapları ile ilgili kısa bir bilgi verilmiştir. Bu bağlamda; Kütlesel Rotorlu Asenkron Motor'un temel boyutlarının belirlenmesi, kayıpları, soğuma kabiliyeti, uzay harmoniklerinin analizi, harmonik moment ifadesinin elde edilmesi ve sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi gibi konular kısaca açıklanmıştır. Literatürde var olan geleneksel rotor yapılarından olan düz, eksenel yarıklı ve bakır giydirilmiş rotor tiplerine sahip Kütlesel Rotorlu Asenkron Motorlar geometrik boyutları sabit kalmak koşulu ile tasarlanıp analiz edilmiştir. Daha sonra, eksenel yarıklı yapıdaki rotor diş yüzeylerinin bakır ile kaplandığı Siperli-Eksenel Yarıklı Kütlesel Rotorlu Asenkron Motor olarak adlandırılan yeni bir kütlesel rotor yapısı önerilmiş, önerilen bu yapı detaylıca tasarlanıp en uygunlaştırılmıştır. Tüm rotor tasarım parametreleri incelenmiş, yarık derinliği-genişliği, sayısı ve kaplama kalınlığı gibi rotor başarımına etki eden tüm geometrik parametreleri için en uygun parametreler belirlenmiştir. Yeni rotor tasarımının manyetik ve işletme başarımı, ona muadil olabilecek eksenel-yarıklı ve bakır giydirilmiş Kütlesel Rotorlu Asenkron Motorlar ile karşılaştırılmıştır. Dahası tüm rotor tiplerinin manyetik akı yoğunluğu ve hava aralığındaki akı yoğunluğu harmonik spektrumu da verilmiştir. Başarım karşılaştırmaları için iki boyutta geçici hal sonlu elemanlar analizi (SEA) kullanılmıştır. Eksenel Yarıklı Kütlesel Rotorlu Asenkron Motor için yapılan analizler yarık derinliğinin arttırılıp genişliğinin dar tutulmasının moment üretimini \%250-300 arttırabildiğini göstermektedir. Bununla birlikte, moment üretimi ve mil gücündeki artış ile beraber rotor kaybında artış yaşanmaktadır. Ayrıca, yarık genişliğinin değiştirilmesi güç faktörü ve verim üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Dar ve daha derin yarıklar, güç faktöründe ve verimde artışa neden olur. Yapılan rotor en uygunlaştırması sonucunda, yarık genişliğinin yarık adımının \%15'i ve yarık derinliğinin rotor yarıçapının \%40'ı olarak seçilmesi gerektiği görülmüştür. Bakır Giydirilmiş Kütlesel Rotorlu Asenkron Motor için yapılan analizlerde giydirme kalınlığındaki artışın moment üretiminde artış sağladığını görülmüştür. Rotor kaybı, 0-1 mm giydirme kalınlığı aralığında artmış, 1-2.5 mm arasında düşmüş ve 2.5 mm'den sonra tekrar artmıştır. Hesaplanan sonuçlar diğer tüm performans parametreleri için tutarlı olmasına rağmen rotor kaybı ve kaplama kalınlığı arasında önemli bir ilişki kurulamamıştır. Bu rotor tipinin güç faktörü ve verimi, kaplama kalınlığının belirli bir seviyeye kadar artmasıyla artarken daha sonra düşmeye başlamıştır. Motor başarımını en üst seviyeye çıkarmak için tüm ölçütlere ait en uygun giydirme kalınlığının 1,5 ile 2,5 mm arasında seçilmesi gerektiği görülmüştür. Önerilen yeni rotor yapısında akı, yarıkların varlığı nedeniyle düz kütlesel rotorlu asenkron motora nazaran çok daha derine nüfuz etmektedir. Ayrıca, dişlerin yüzeyindeki bakır siperin varlığı nedeniyle azaltılmış moment dalgalılığı rotorun daha az titreşimli bir şekilde çalışmasını sağlar. Rotor dişlerindeki yapılan bu değişiklik rotor kayıplarını hatırı sayılır derecede azaltmıştır. Yapılan rotor en uygunlaştırması sonucunda, yarık genişliğinin yarık adımının \%40'ı ve yarık derinliğinin rotor yarıçapının \%45'i olarak seçilmesi gerektiği görülmüştür. Önerilen yeni rotor tasarımı, düşük güç faktörüne sahip olmasına rağmen diğer rotor yapılarına karşı daha iyi verim ve daha az rotor kaybına sahiptir. İmalat sorunları açısından bu üç rotor tipi karşılaştırıldığında en kolay imal edilen yapının giydirilmiş rotor yapısı olduğu görülür. Fakat bu yapı beraberinde getirdiği yüksek rotor kayıplarından dolayı ısıl zorlanma ve soğuma başarımı olarak diğerlerine göre daha kötü durumdadır. Eksenel Yarıklı Rotor yapısı ise içerdiği hava aralığı akı yoğunluğu harmonikleri açısından diğerlerine göre oldukça başarımı düşüktür. Bu harmonikler motorda titreşimli çalışmaya ve gürültüye neden olabileceği gibi kalkış anında da motor başarımını kötüleştirmektedir. Tüm bu sonuçlar göz önüne alındığında Siperli-Eksenel Yarıklı Rotor yapısının yüksek hızlı uygulamalar için iyi bir seçim olabileceğini göstermektedir. Tezin ikinci kısmı literatürde daha önce üzerinde çalışılmamış yeni bir stator-rotor kombinasyonunu içeren yenilikçi bir tasarım içermektedir. Ayrıca başlıca uzay harmoniklerini ortadan kaldırmak için rotor yapısındaki değişikliklerden ziyade stator üzerinde bir yapısal değişiklik önerilmiştir. Alışılmadık stator oluk dizilişi ve sargı dağılımı doğadan esinlenen sayısal optimizasyon tekniklerinden olan Big Bang- Big Crunch algoritması yardımıyla hesaplanmıştır. Bu hesap yapılırken sargı faktörünün temel bileşeninin olabildiğince yüksek tutulması hedeflenmiştir. Literatürkeki var olan çalışmaların aksine, bu çalışmada hava aralığındaki akı yoğunluğu harmonikleri yok edilirken, sargı faktörünün temel bileşeninin en yüksek değeri araştırılmıştır. Daha az harmonik bozunum ve yüksek sargı faktörü sağlayan en iyi 3 çözüm 10000 sonuç arasından seçilmiştir. Stator tarafından hava aralığında oluşturulan en belirgin uzay harmonikleri daha yüksek derecelere kaydırılarak etkileri ortadan kaldırılmıştır veya azaltılmıştır. Hala hava aralığı akı yoğunluğunda bulunan harmonikler ise daha düşük senkron hız değerlerine düşürülmüştür. Faz sargılarının birbirinin içine geçtiği sıradışı bir oluk dağılımı ortaya çıkmıştır. Önerilen yeni stator-rotor kombinasyonunun yer aldığı örnek bir Kütlesel Rotorlu Asenkron Motor tasarımı detaylıca verilmiş ve geleneksel oluk ve sargı yapısına sahip Kütlesel Rotorlu Asenkron Motor ile elektriksel, manyetik ve işletme başarımı açısından karşılaştırma yapılmıştır. Önerilen yenilikçi tasarım, Yüksek Hızlı Kütlesel Rotorlu Asenkron Motorlar'da hava aralığı harmoniklerinin bozucu etkisini azaltarak rotor kayıplarını azalmasına ve verim artışına katkıda bulunmaktadır. Dahası, mildeki moment dalgalılığının da azalması yeni tasarımın başarımındandır. İşletme başarımı arttırılmış ve yüksek verimli kütlesel rotorlu asenkron motorların kullanılması ulusal ekonomiye ve güç kalitesine katkı sağlayacaktır. Tezin Ulusal ekonomiye katkılarının yanı sıra, Kütlesel Rotorlu Asenkron Motorlar'da rotor yüzeyindeki harmonik güç kaybı hesabında ve rotor yüzeyindeki harmonik güç kayıplarının azaltılması yöntemlerine bilimsel katkısı mevcuttur.

In recent years, improvements in industries have brought about an increase in the optimum operating speed for drive systems. In this respect, the recently developed, high-speed, gearless or direct electrical drives are currently very popular, because of the reduction in the total structural volume of the drive system. Depending on its excellent mechanical and thermal capabilities to withstand stress, solid rotor induction motors (SRIM) are widely used in demanding high-speed and high-pressure applications. Solid rotor is mainly made of one type ferromagnetic material as single-piece. Due to their single material rotor structure, solid rotor induction motor are easy to manufacture, cost-effective and reliable alternatively to other types of high-speed machines. In addition, even if they operate in high speed, they have low level of noise and vibrations. Another main advantage of this motor type is the ability to operate without a speed sensor unlike most of permanent magnet machines. Since eddy currents are set free in SRIMs, great part of rotor losses is caused by space harmonics created in the air-gap. Rotor losses are increased tremendously in high speed applications with the remarkable increase in driving frequency. It is obvious that elimination of prominent air-gap MMF harmonics can improve the total efficiency of SRIM in high speed applications. In this thesis, fistly high speed solid rotor induction motor with different convenient types of rotor, i.e., smooth solid, slitted solid and coated solid rotor were designed and analysed in cases where the geometrical size was kept constant. After that, a novel solid rotor structure with slits in axial directions, of which the top of rotor iron teeth is coated with copper named as Shielded Axially Slitted SRIM (SAS-SRIM) was designed and optimised in details. Performance of the motor with the novel rotor design is compared with those of the equivalent motors having axial-slits and copper coated solid rotors. In order to calculate and compare the performances of all motors, the systems were simulated by 2D time stepping finite element analysis (FEA). In the novel structure, the fundamental flux can penetrate much deeper than that of a smooth-type IM because of the presence of slits. In addition, because of the existence of coating on the top of the teeth, the rotor creates decreased torque ripple resulting in less vibration. Novel rotor design serves a better efficiency with less rotor loss together with a disadvantage of decreased power factor. The second part of thesis contains an innovative design representing a novel stator and rotor combination that is not achieved in previous studies and it is proposed by structural changes to stator to eliminate major effective space harmonics. An unconventional stator slotting pattern and winding distribution was calculated by nature inspired numerical optimization techniques while keeping the fundamental winding factor relatively high. Unlike previus studies, highest fundamental winding factor was investigated while eliminating space harmonics in the air-gap mmf. A sample design where novel concepts were implemented is presented and a comparison is given in terms of important operational quantities with those of a standard SRIM. Proposed innovative design contributes to reducing rotor losses and increasing the efficiency of high-speed solid rotor induction motors. In addition to that, proposed innovative design increases the electrical performance of high-speed solid rotor induction motor. Use of high-performance and high-efficiency solid rotor induction motors provides contribution to national economy and power quality. Besides these national contributions, this thesis also has scientific contributions to analysis of harmonic power loss calculation in solid rotor induction motor and methods of eliminating harmonic power loss in rotor surface.