1,5kw lık dengesiz sargı yapılı sürekli mıknatıslı bir AC servomotor tasarımı, üretimi ve gerçeklenmesi

Abstract

Standart sürekli mıknatıslı (SM) motorlar günümüzde elektrikli taşıt, savunma sanayi, beyaz eşya sektörü gibi birçok özel uygulamada sıklıkla kullanılmaktadır. Bu tip motorların verimlerinin yüksek, kayıplarının düşük, küçük hacim ve ağırlıkta yüksek güç ve moment yoğunluğu elde edilebilmesi ve moment-ağırlık oranının yüksek olması gibi avantajları günümüzde sıkça kullanılan bir motor türü haline gelmesini sağlamıştır. Elektrik motorlarında sargı yapısı oluk-kutup kombinasyonuna bağlı olarak belirlenmektedir. Bazı kombinasyonlarda çok iyi bir motor performansı elde etmek mümkün olmasına rağmen sargı yapısını belirlemek zordur ve seçilen oluk-kutup kombinasyonuna bağlı olarak dengesiz bir sargı yapısı kullanmak kaçınılmaz olur. Bu çalışmada özel uygulamalar için bir sürekli mıknatıslı AC servomotor tasarımı ve prototip üretimi yapılmıştır. Motor performans verileri bu tip uygulamalarda kritiktir. Bu yüzden motorun vuruntu momenti ve moment dalgalanması olmayan kaliteli bir moment çıkışına, bunun yanında da sinüzoidal bir zıt elektromotor kuvvetine (EMK) sahip olması gerekmektedir. Üretim sürecinin de kolay olması önemli bir tasarım kriteridir. Özellikle hassas pozisyon kontrolü gerektiren çok düşük hızdaki uygulamalarda istenilen performans çıktılarının elde edilmesi için motorun ne statorunda ne de rotorunda (rotor-stator kaykı, segmentleme, diş olukları gibi) yapısal olarak bir önlem alınmasına gerek kalmadan dengesiz sargı yapılı bir motor yapısı ile yüksek kaliteli bir moment çıkışı elde etmek mümkündür. Bu çalışmada, küçük güçlü dengesiz sargı yapılı sürekli mıknatıslı bir AC servomotor tasarımı, optimizasyonu ve prototip üretimi gerçekleştirilmiştir. Motor tasarımı, geliştirilen deney düzeneğinde test edilmiş ve performansı kontrol edilmiştir. Ayrıca farklı tip fırçasız AC motorların benzer tasarım kriterleri doğrultusunda tasarımı ve karşılaştırması yapılmış, dengeli ve yapısal dengesiz motorlar arasındaki performans farkı ortaya koyulmuştur.

Conventional permanent magnet (PM) motors are frequently used in various applications such as electric traction, defense industry, appliance and so on. These motors have attracted an increasing interest because of some advantages like high efficiency, low loss, low volume and weight and high torque/power density and torque to weight ratio. Thus, there exist PM motors in many applications thanks to all the advantages. It is well known that slot-pole combination specifies the winding structure of a PM motor that should be made in order to obtain the most suitable design for the application. However, some combinations produce a quality motor performance and so using an unbalanced winding structure is inevitable because of the slot-pole combination. In this study, performance of the motor is important since the target of the study includes special applications. Therefore, this kind of applications needs both a quality output torque (cogging-free and ripple-free) and also a smooth back-EMF waveform, and so controllability of the servomotor would be easier. If precise position control is required or high torque quality is a must at some low speed applications, these unbalanced winding motors can offer both almost no-cogging and provide easier manufacturability simply because no extra structural steps are taken to lower or eliminate cogging component. Thus, design, optimization, prototype and control of a PM servomotor with unbalanced AC winding is implemented in order to obtain intended motor performance. Then, performance of the designed motor is tested using an experimental set-up and compared with the FEA results. In addition, different brushless permanent magnet AC motors are designed and compared for the same technical specifications, and the performance difference between the balanced and structurally unbalanced motors are laid out in detail.