Düşük Kutuplu Sinusoidal Reluktans Makinası Tasarımı Ve Prototip Üretimi

Abstract

Kalıcı mıknatıslı senkron makinaların yüksek moment yoğunluğu, yüksek verim ve geniş hız aralığında çalışabilme gibi özellikleri sayesinde kullanımı yaygınlaşmıştır. Fakat kalıcı mıknatıslarda kullanılan bazı elementlerin nadir bulunan element olması ve fiyatlarındaki oynaklık mıknatıs kullanılmayan elektrik makinalarına ilgiyi artırmıştır. Kalıcı mıknatıslı senkron motorlara alternatif olabilecek mıknatıssız motorlardan biri de sinusoidal relüktans motordur (SRM). Bu çalışmada ilk olarak SRM?in farklı oluk/kutup topolojileri incelenmiştir. Zıt-EMK dalga şekilleri, moment dalgalılığı, manyetik kuvvetlerin dengesi gibi özellikler incelenerek, kutup sayısı en düşük olan uygun topolojinin 12/10 SRM olduğu belirlenmiştir. 12/10 SRM?in yüksek hızlardaki nüve kayıplarının artması ise ciddi bir problemdir. Bu problemi çözmek amacıyla daha düşük bir kutup sayısına sahip olan yeni bir 6/4 SRM tasarımı önerilmiştir. Önerilen 6/4 SRM ile konvansiyonel 6/4 SRM?in sahip olduğu moment dalgalılığı problemi de giderilmiştir. SRM?de hem armatür sargıları hem de uyarma sargıları statorda bulunmaktadır. Armatür ve uyarma sargıları ortak manyetik yollara sahip olmasına rağmen armatür sargısı AC akım ile uyarılırken, uyarma sargısı is DC akım ile uyarılmaktadır. Bu durum detaylı olarak incelenmiş ve sargıların birbirlerini etkilemelerine rağmen armatür ve uyarma sargılarının çalışması açıklanmıştır. Elektrik makinalarının tasarımında kullanılan optimizasyon yöntemleri incelenmiş ve genetik algoritma (GA) kullanılarak 12/10 SRM?in moment dalgalılığı minimize edilmiştir. Önerilen 6/4 SRM?in 2 boyutlu modellenebilmesi için bir yöntem geliştirilmiş ve tasarımı optimize edilmiştir. Önerilen 6/4 topoloji ile çift harmoniklerin yok edilmesine rağmen tek harmoniklerin yok edilemediği görülmüştür. Tek harmoniklerin genliklerini azaltmak için tasarım ve kontrol yöntemleri önerilmiştir. Motorların tasarım ve optimizasyonları ANSYS/Maxwell programı kullanılarak yapılmıştır. Hibrit/elektrikli araç uygulamaları için 12/10 ve çift statorlu 6/4 SRM optimizasyonları yapılmıştır. Yüksek hızlarda çift statorlu 6/4 SRM?in kayıplarının daha düşük olduğu gösterilmiştir. Çift statorlu 6/4 SRM?in güç yoğunluğunu artırabilmek amacıyla entegre sargılı 6/4 SRM tasarımı önerilmiştir. Tasarımı yapılan motorların kontrolünü gerçekleştirebilmek için dinamik modellerine ihtiyaç duyulmaktadır. İlk olarak armatür ve uyarma sargılarının rotor pozisyonuna bağlı endüktans değişimleri sonlu eleman analizi (SEA) yöntemiyle elde edilmiştir. Sonrasında ise üç faz sistemden d-q eksen takımına dönüşüm yapılarak d-q eksen takımındaki dinamik modellemeleri yapılmıştır. Daha sonra tüm sistem MATLAB/Simulink ortamında modellenmiştir. Alan yönlendirmeli kontrol yöntemi kullanarak kontrol algoritması geliştirilmiştir. Modülasyon yöntemi olarak uzay vektör modülasyonu kullanılmıştır. PI kontrolcülerin katsayıları belirlenerek referans hızın takibi sağlanmıştır. Benzetim çalışmalarının tamamlanmasıyla birlikte geliştirilen kontrol algoritması STMCubeIDE yazılımı kullanarak STM32F407 ve STM32F411 işlemcilerine uygun hale getirilmiştir. Tasarımı yapılan makinelerin zıt-EMK dalga şekilleri deneysel olarak ölçülmüştür. Önerilen 6/4 tasarımda çift harmoniklerin genliklerinin düşürüldüğü deneysel olarak doğrulanmıştır. Ayrıca motorlar yüklenerek moment dalga şekilleri elde edilmiştir. Önerilen tasarım ile moment dalgalılığının düşürüldüğü deneysel olarak doğrulanmıştır.