Sürekli mıknatıslı akı anahtarlamalı generatörlerde elektromanyetik ve yapısal başarımı artırmaya yönelik katkılar

Abstract

Küresel karbon emisyonlarını azaltma hedefleri doğrultusunda günümüz elektrik üretim altyapısı, fosil yakıtlı merkezi santrallerden yenilenebilir kaynaklara dayalı dağıtık enerji sistemlerine doğru hızla evrilmektedir. Bu dönüşüm, şebekeleri besleyen geleneksel devasa senkron makinelerin ve rüzgâr türbinlerinde yaygın olarak kullanılan sürekli mıknatıslı senkron generatörlerin (SMSG) ötesinde, daha yenilikçi tasarımların araştırılmasını zorunlu kılmaktadır. Mevcut SMSG tasarımları yüksek verimlilik sunmalarına rağmen; karmaşık rotor mimarileri, termal yönetim güçlükleri ve yüksek bakım maliyetleri sebebiyle geliştirmeye açıktır. Bu bağlamda akı anahtarlamalı sürekli mıknatıslı generatörler (AASMG), tüm aktif bileşenlerin (sargılar ve mıknatıslar) statorda yer aldığı yenilikçi yapılarıyla öne çıkmaktadır. AAG'ler; sargısız ve mıknatıssız pasif çelik rotoru sayesinde yüksek mekanik dayanım ve yüksek hız kapasitesi sunarken, soğutma kolaylığı da sağlamaktadır. Bu yapısal yalınlık, özellikle havacılık ve elektrikli araçlar gibi ağırlık tasarrufunun kritik olduğu mobil platformlarda bu teknolojiyi avantajlı bir konuma taşımaktadır. AAG'lerin endüstriyel ölçekte yaygınlaşmasının önündeki en büyük engel, seri üretime yönelik standartlaşmış imalat yöntemlerinin eksikliğidir. Özellikle geleneksel yekpare stator yapılarında, laminasyon boyunduruğunda yer alan ince ferromanyetik köprüler mekanik olarak kırılgan bir mimari oluşturmakta ve montaj esnasında laminasyon kaymalarına (hizalama hatalarına) yol açmaktadır. Dahası bu köprüler, aşırı doyuma uğrayarak ciddi akı kaçaklarına neden olmakta ve makinenin akı anahtarlama prensibine zarar vererek güç yoğunluğunu ve verimliliğini düşürmektedir. Bu imalat ve elektromanyetik performans sorunlarını aşmak amacıyla, bağımsız U-şekilli modüler çekirdeklerden oluşan ve aralarına teğetsel olarak mıknatıslanmış NdFeB45 sürekli mıknatısların yerleştirildiği "parçalı stator" mimarisi önerilmektedir. Parçalı tasarım, modüller arasındaki ferromanyetik köprüleri tamamen ortadan kaldırarak akı kaçaklarını engellemekte, sargı sürecini basitleştirmekte ve imalat esnasındaki malzeme atığını azaltmaktadır. Gerçekleştirilen 12-Oluk/13-Kutup topolojisine sahip parçalı AAG tasarımı, iki boyutlu sonlu elemanlar analizi (Ansys Maxwell 2D FEA) kullanılarak parçasız muadili ile adil koşullar altında karşılaştırılmıştır. Yapılan parametrik analizler, seri üretim süreçlerinde kaçınılmaz olan ve mıknatıslar ile stator modülleri arasında oluşan montaj tolerans boşluklarının 0 ile 0,15 mm arası elektromanyetik performans üzerinde neredeyse hiç olumsuz etki yaratmadığını ve kararlı akı dağılımının korunduğunu göstermiştir. Genel performans verileri incelendiğinde; aktif hacimleri neredeyse aynı kalmasına rağmen, parçalı stator topolojisi sayesinde makinenin elektriksel çıkış gücü 1820,01 W'tan 1989,39 W'a yükselmiş, üretilen elektromanyetik torktaki belirgin artış ise nüve ve girdap akımı kayıplarındaki hafif yükselmeleri fazlasıyla dengeleyerek toplam sistem verimliliğini ve güç yoğunluğunu önemli ölçüde artırmıştır.