Fırçasız doğru akım motorlarında moment titreşimlerinin azaltılması

Abstract

Son yıllarda, enerji ihtiyacının artması ve enerji kaynaklarının ise azalması sebebiyle kaynakların tasarruflu kullanımı önem kazanmaya başlamıştır. Kaynak tasarrufunun önem kazanması da yüksek verim sağlayan enerji dönüşüm yollarının araştırma konusu haline gelmesine neden olmaktadır. Bu konu, çalışmaların enerji dönüşümünde kullanılan motorlar ve generatörler üzerinde yoğunlaşması anlamına gelmektedir. Fırçasız doğru akım motorları da günümüzde yüksek enerjiye sahip mıknatısların geliştirilmesiyle, popüler bir araştırma konusu haline gelmiştir. Fırçasız Doğru Akım Motorlarının, verim-hacim oranın yüksek olması, bakım gerektirmemesi, yüksek hızlarda çalışabilmesi gibi özellikleri diğer motor tiplerinden ayırt edici ve bu motor tipini öne çıkartan özellikleridir. Bu özelliklerinden dolayı çamaşır makinesi, otomotive, klima, pozisyon kontrol uygulamaları vb. uygulama alanlarında tercih edilmektedir. Ancak avantajlı özelliklerinin yanında, dezavantajlara da sahip bir motor tipidir. Özellikle yük momentinde meydana gelen titreşimler, önemli bir dezavantajdır. Bu çalışmada, yük momentinde meydana gelen titreşimler minimize edilmeye çalışılmıştır. Yük momentindeki titreşimlerin en önemli sebepleri; rotor ve stator arasındaki etkileşimden kaynaklanan moment, stator uzay harmonikleri ve sürücü devreden kaynaklanan akım harmonikleri olarak sıralanabilir.Analizleri yapmak üzere seçilen fırçasız doğru akım motoru, gömülü ve Ferrite tipinde mıknatıslara sahip 24 oluklu ve dört kutuplu bir motordur. İncelenen motor tipinin çıkış gücü 175W olup, çamaşır makinelerinde kullanılmakta olan bir motor tipidir. Çamaşır makinelerinde kullanılmakta olan bu motor için iki farklı devirde incelemeler yapılmalıdır. Yıkama esnasında, 530 min-1 hızla dönerken, sıkma sırasında mekanik hız 16000 min-1'e kadar çıkmaktadır. Bu çalışmada incelenen sadece yıkama durumu sırasında ve 530 min-1 civarındaki hızlardaki durumlardır. Sürücü devre ile ilgili herhangi bir çalışma yapılmadığından, yüksek hızlar için modellemesi yapılmamıştır.Motor modellemesi genellikle zamandan ve bilgisayar belleğinden tasarruf sağlamak amacıyla iki boyutlu yapılmaktadır. Ancak iki boyutlu modelleme ile bazı parametreler ihmal edilmektedir. Üç boyutlu modelleme ile iki boyutta ihmal edilen parametreler ve analizler yapılabilir. Örneğin sargılara ait uç sarımı endüktansı iki boyutlu modellemede sabit bir değer olarak tanımlanırken, üç boyutlu modellemede uç sarımı endüktansı hesaplanabilmektedir. Bunun yanında iki boyutlu analizlerde moment titreşimlerini azaltıcı yöntem olarak kullanılan motorda bükme etkisi görülmemektedir.Çamaşır makinelerinde kullanılan ve bu çalışmada incelenen motor üzerinde yapılan analizler sonucunda, seri üretimde olan motorda moment titreşimi analizleri yapılmıştır. Bu motor modeli üzerinde sürekli mıknatıslar, motor laminasyonları üzerinde yapılan değişiklikler ve farklı sargı tiplerinin kullanımı gibi fiziksel parametrelere yönelik analizler gerçekleştirilerek manyetik ve elektriksel büyüklükler üzerinde etkileri gözlemlenmiştir. Yapılan değişiklikler sonucunda en fazla iyileşme sağlayan yöntemler bir araya getirilerek yeni bir motor oluşturulmuş ve analizlerin sonuçları ve farklar ortaya konmuştur.Bütün bu değişiklikler için analiz yöntemi olarak sonlu elemanlar yöntemi kullanılmıştır. Sonlu elemanlar yöntemi, özellikle elektromekanik cihazların manyetik analizlerinde sıklıkla kullanılan bir yöntemdir. Motor üretim aşaması öncesinde yapılan sonlu elemanlar analizleri ile üretim öncesi performansın test edilmesi, üretimde tasarruf sağlayan bir yöntemdir. Üretilmesi planlanan ve parametreleri belirlenen motorların sonlu elemanlar yöntemi ile modellenerek analiz edilmesi sayesinde zaman ve yapılacak harcamalar kısıtlanmış olmaktadır.Sonlu elemanlar yöntemi motor üzerinde uygulanırken zamandan ve bilgisayar belleğinden tasarruf sağlamak amacıyla, laminasyonlar üzerinde farklı eleman yoğunluklarına sahip sonlu elemanlar ağı kullanılmıştır. Böylece laminasyon üzerinde sonlu eleman ağı optimizasyonu yapılmıştır. Değişim oranının yüksek olduğu yerlerde yoğun bir ağ kullanılırken, değişimin çok fazla olmadığı alanlarda büyük elemanların kullanımı ile seyrek bir ağ yapısı elde edilmiştir. Böylece her alanda kullanılacak yüksek yoğunluklu ağ yapısı ile meydana gelecek hata yığılmaları da önlenmiş olmaktadır.Bütün analizler sonucunda elde edilen motor modeli, prototipi üretilerek testleri yapılmış ve performansında düşüş yaşanmadan, moment titreşimlerini azalttığı gözlemlenmiştir.

REDUCING TORQUE RIPPLES IN BRUSHLESS DIRECT CURRENT MOTORSSUMMARYPermanent magnet brushless direct current (BLDC) motors have wide usage in areas such as home appliance: washers, dryers, in automotive applications: fans, pumps and blowers, etc. Some benefits of this machine can be listed as their high performance, high ratio of torque/volume, capability in high speed applications, electronic driven commutation. These motors have also some disadvantages in additional to all these benefits. There is an unwanted effect which is called cogging (detent) torque. This torque is an oscillatory torque caused by the permeance variation between stator and the rotor. The cogging torque is not the only reason for the torque ripples. While the cogging torque can be observed by a static torque test without any stator current flowing, the other torque ripple sources and their magnitudes can be determined by harmonic analysis. These harmonics can listed as winding space harmonics and the harmonics produced by magnet interactions, driver circuit current harmonics.The test motor used in this study is an buried type 175 W, 4-pole, 50 Hz, three phase BLDC motor with 24 stator slots and ferrite type (N40). Since the motor is used in washers, the motor actually has two operating conditions; low speed during washing (530 min-1) and high speed during spinning (16000 min-1).Many methods have been developed to minimize the cogging torque. Some of them are in the literature such as; using different magnet arc, using different magnets which have different remanence values, different magnet shape and magnet shape optimization using surface mounted or interior type, different pole arc to pole pitch ratio, etc. There are also many methods to minimize the electromagnetic torque ripple while motor is running. Using fractional slot windings could also help to reduce certain harmonics magnitudes.Finite Element Method (FEM) is used to model the test motor. FEM is preferred especially in magnetic analysis of electromechanical devices. Analyze of the motor by using FEM before the prototyping would decrease the manufacturing cost.First, a test motor which is already used in the washer is studied using a transient finite element analysis. This study is carried out to validate the model by checking the output in terms of cogging torque, back EMF, phase currents, and output torque. After verification, the magnetic flux and torque harmonic components of the test motor are used as reference for the comparison when the new motor design types are proposed.Two-dimensional (2D) finite element model would save computation time and memory. However, some parameters are neglected in 2D models. Three dimensional (3D) solutions will be more efficient in terms of real design since the model will be including the end and fringing effects. 3D model of the motor also makes possible to analyze the skewing which is one of the effective methods for reducing cogging torque. During the thesis preparation, approximately 600 2D models and 70 3D models of the motor have been created and run. The total CPU time for running only the 2D models is 43x105 s.One of the proposed models is chosen for the prototyping by considering the harmonic components and manufacturing limitations without changing the main dimensions of the motor, drive circuit and load torque. With the new motor, the ripples in the torque output have been reduced compared to the original model while the average torque output remains in 1% range. These results also supported with vibration level and acoustic level measurement tests.