Elektrikli araçlar için asenkron makinelerde rotor oluk geometrilerinin uzay harmonik ve işletme başarımı üzerine etkilerinin tespitine katkılar

Abstract

Küresel ısınma, çevre kirliliği, fosil yakıtların tükenmesi gibi problemler çevreye olan bilinci ve nihayetinde onu korumaya ve zarar vermemeye yönelik çalışmaları arttırmıştır. Elektrikli araçların gelişiminde rol oynayan bu etkenler ile birlikte günümüzde yapılan çalışmalar da elektrikli araç teknolojisini gittikçe geliştirmektedir. Elektrikli araç teknolojisine olan eğilime paralel olarak elektrik tahrik sistemlerinin gelişimine yönelik çalışmalar da artmaktadır. Elektrikli araçlarda tahrik motoru olarak çeşitli motorlar kullanılmaktadır. Bunlar genelde asenkron motor, sürekli mıknatıslı senkron motor, anahtarlamalı relüktans motor, geleneksel doğru akım motoru ve senkron relüktans motordur. Bu motorların birbirlerine göre çeşitli avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Asenkron motorlar düşük maliyetleri, basit ve sağlam yapıları, yüksek verimleri, düşük titreşime/gürültüye sahip olmaları gibi özelliklerinden dolayı elektrikli araç uygulamalarında tercih edilmektedirler. Geçmişten günümüze kadar çeşitli elektrikli araç uygulamaları yapılmıştır. Bu araçlardan Tesla Model S, BMW X5, Ford Focus EV ve Tesla Roadster gibi öne çıkan marka ve araçlar tahrik motoru olarak asenkron motor kullanmayı tercih etmişlerdir. Elektrikli araç uygulamalarında kullanılan elektrik motorunun işletme başarımını arttırmak ve maliyetini azaltmak amacıyla çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmada elektrikli araçlar için tasarlanmış sincap kafesli asenkron motorda rotor oluk geometrilerinin motorun işletme başarımı, kalkış performansı, verimlilik, titreşim ve akustik gürültü gibi kriterlere etkisi incelenmiştir. Elektrikli araçlarda kullanılan motorların yüksek moment/güç yoğunluğu, düşük titreşim/gürültü, ani hızlanma/yavaşlama, düşük maliyet/ağırlık, geniş hız aralığı ve "tüm hızlarda yüksek verim" gibi özelliklere sahip olması gerekir. Bu tasarım isterleri göz önüne alınarak tasarlanacak motor için bir verim hedeflenmiş ve motor gücü, kutup sayısı, stator ve rotor oluk sayıları, hız aralıkları gibi motor değerleri pratikte kullanılan makine özelliklerinden yola çıkılarak belirlenmiştir. Belirlenen bu değerlere göre geleneksel analitik yöntemler ile makine başlangıç fiziki boyutları hesaplanmıştır. Makinede kullanılacak manyetik malzemenin doymaması ve buna bağlı olarak manyetik kayıpların oluşmaması ve nihayetinde makine veriminin yüksek olması amacıyla makinenin çeşitli bölümlerinde standartlar ve genel tasarım ilkeleri dikkate alınarak manyetik kısıtlar belirlenmiştir. Geleneksel yöntemler ile hesaplanan makinenin fiziki boyutlarında, manyetik kısıtlar göz önüne alınarak bilgisayar destekli analiz ile iyileştirme yapılmış ve nihai boyutlar belirlenmiştir. NEMA, IEC gibi motor standartları ve literatürde yapılan çalışmalar değerlendirilerek asenkron motorlarda kullanılan rotor oluk şekillerine yeni ve özgün oluk tasarımları da eklenerek belirli bir sınıflandırma altında farklı rotor oluklarına sahip 13 motor tasarlanmıştır. Stator demir çekirdeği sargısı ve oluk şekli 13 tasarım için değiştirilmemiş olup 2 tabakalı sargı, sabit diş genişliği ve yamuk kesitli oluk kullanılmıştır. Makine ana boyutları ve stator yapısı değişmemek kaydıyla tasarlanan her bir motor için rotor oluk şekline ait boyutlar değiştirilerek en uygunlaştırma yapılmıştır. İlgili rotor oluk geometrik boyutlarının en uygunlaştırılması için ANSYS Electronic Desktop kullanılmış ve analiz kriteri olarak en yüksek verim alınmıştır. Bu en uygunlaştırma oluk geometrisinin karmaşıklığına bağlı olup karmaşık geometriler için daha fazla analiz yapmak gerekmiştir. Tasarlanan farklı rotor oluk geometrilerine sahip 13 motor, bilgisayar destekli sonlu elemanlar yöntemi ile sabit moment kriteri altında incelenmiş ve geçici hal analizine tabi tutulmuştur. Bu motorların elektriksel, manyetik, harmonik ve gürültü yönünden işletme başarımları elde edilmiş ve karşılaştırılmıştır. Bilgisayar destekli analiz programları ile her bir rotor oluk çeşidi için makinelerin hava aralığındaki manyetik akı yoğunluğunun radyal bileşeni açısal konuma bağlı olarak elde edilmiş ve Fourier Analizi ile harmonik spektrumları elde edilmiştir. Harmonik dağılımdan faydalanarak makine üzerinde en büyük bozucu etkisi olan uzay harmoniklerine yoğunlaşılmış ve bu harmonik derecelerinin kısıtı altında motorlar en küçük harmonik içeriğinden en büyük harmonik içeriğine doğru sıralanmıştır. Uzay harmoniklerinin akustik etkisini inceleyebilmek adına seçilen oluk tipleri üzerine yoğunlaşılmıştır. Bu amaçla en büyük harmonik içeriğe, en küçük harmonik içeriğe ve "kalkış akımı, kalkış momenti, verim, harmonik içeriği, moment titreşimi" dikkate alınarak seçilen en uygun işletme başarımına sahip 3 oluk tipi üzerine yoğunlaşılmıştır. Seçilen 3 oluk tipine ilişkin analiz sonuçları ANSYS Workbench programına aktarılarak uzay harmoniklerinin etkisi sonucu oluşan manyetik akustik gürültüler incelenmiştir. Bu yolla makinelerin manyetik yolla oluşan akustik gürültü seviyeleri ve değişimleri karşılaştırılmıştır. Bu tez ile standart elektrik makinesinin tasarımı ve sayısal yöntemle incelemesi çalışmalarına ilave olarak uzay harmoniklerinin mekanik ve akustik etkileri incelenmiş ve 13 farklı oluk tipinin seçilen kriterler altında başarımları elde edilmiştir. Elektrikli araçlar için özel olarak tasarlanacak elektrik motorlarında rotor oluk tipinin kolayca belirlenebilmesi için sonuçlar karşılaştırmalı olarak verilmiştir.