Yüksek Tork Yoğunluklu Endüksiyon Motoru Tasarımı

Abstract

Bu tez, Türkiye'de Ankara metro trenleri için üretilen 125 kW'lık bir indüksiyon prototip motorunun tasarımını geliştirerek indüksiyon motorları (IM) ile daimi mıknatıslı senkron motorlar (PMSM) arasındaki performans farkını kapatmaya odaklanmaktadır. Yüksek verimleri sayesinde daimi mıknatıslı motorlar elektrikli araçlarda yaygın kullanım ve popülerlik kazanmış olsa da, nadir toprak elementlerine olan bağımlılıkları, tüm hız aralığında yüksek verimi koruyan, nadir toprak elementlerinden bağımsız, maliyet-etkin alternatiflerin araştırılmasını gerektirmektedir. Sunulan araştırma, prototipin uluslararası standartlara göre test edilmesiyle başlamaktadır. Bu prototip motorun 2D modeli geliştirilmiş ve performansı ANSYS Maxwell yazılımında sonlu elemanlar analizi (FEA) kullanılarak benzetimle tahmin edilmiştir. Model, tahmin sonuçları ile test sonuçlarının karşılaştırılmasıyla geliştirilmiştir. Bu şekilde, motor momentini, akımı, kayıpları ve genel verimi %1 doğruluk içinde tahmin edebilen hassas bir model elde edilmiştir. Bu model, prototip motorun kayıp dağılımını incelemek için kullanılmıştır. Önemli kayıp bileşenleri bu yöntemle daha ayrıntılı dağıtılabilmiş ve harmonik kayıplar sonlu elemanlar yöntemi yardımıyla ayrıştırılmıştır. Motorun verimini artırmak için bu analiz esastır. Kayıp dağılımı belirlendikten sonra kayıpları ortadan kaldırma yolları aranabilir ve motorun verimi artırılabilir. Verimin artırılması, ya motor çıkışının modifikasyon öncesi kayıp seviyesine ulaşana kadar yükseltilmesini ya da motorun daha soğuk çalışmasını sağlar. Geliştirilen model kullanılarak, ilk olarak manyetik yükleme değiştirilerek ve iletken kesit alanı artırılarak stator tarafındaki bakır kayıplarının azaltılması araştırılmıştır. Bu, prototip motora kıyasla bakır kayıplarını azaltmasına rağmen, manyetik yüklemenin artırılmasının doyum seviyesini (çekirdek kayıpları %13 artmıştır) ve manyetize edici akımı yükselttiği, bu nedenle stator akımının yaklaşık %15 arttığı ve güç faktörünün benzer oranda azaldığı bulunmuştur. Motor performansını iyileştirmek için diğer bir önemli strateji motor iç çapını artırmak ve böylece, kalkış ve maksimum moment dahil stator ve rotor oluk alanlarını artırabilmektir. stator iç çapının yeniden boyutlandırılmasıyla iyileştirmektir. İç çap, rotor ve stator diş genişlikleri korunacak şekilde artırılmış ve stator arka çekirdeğinde hedeflenen akı yoğunluğu (1.85 T tepe) sağlanmıştır. İç çapın artırılması, manyetik yüklemeyi azaltmaktadır. Bu çalışmada iç çapın artirilması verimi %93.7'den %93.9'a çıkarmıştır. Kayıplar azalmış olsa da, prototip motora kıyasla manyetik yükleme çalışmasında olduğu gibi sınırlı artış, optimal stator iç çapının araştırılması gerektiğini göstermektedir. Artırılan iç çap, rotor arka çekirdeğinde daha fazla alan oluşturduğu için rotor bakır çubuğunun yüksekliğinin artırılmasına da imkân vermektedir. Optimal iç çap ve daha derin rotor çubukları kullanılarak motor verimi %93.9'dan %94.5'e ulaşmıştır (optimal iç çap = 280 mm, artırılmış iç çap = 284 mm). Azaltılmış manyetik yükleme ile çekirdek neredeyse hiç doymamakta ve stator akımı prototip motor seviyesinde kalmaktadır. Kayıp dağılımının incelenmesi ayrıca stator oluklardan kaynaklanan yüksek harmonik kayıplara işaret etmektedir. Tezin ikinci odak noktası, toplam kaybın %13'ünü oluşturan harmonik çekirdek ve bakır kayıplarının azaltılmasıdır. Harmonik kaybı azaltmak için yarı kapalı stator olukları kullanılmıştır. Hava aralığındaki harmonik akı bileşenlerinin büyüklüğünün azalması, prototip motora kıyasla rotor yüzey çekirdek kaybını ve bakır kaybını %55 azaltmıştır. Ancak, yarı kapalı oluklar önceden sarılmış stator sargıları için tercih edilmemektedir. Bu sorunu çözmek için, yarı kapalı oluklara alternatif olarak stator açık olukları üzerine kılıf (sleeve) adı verilen ince bir silisli saç tabaka yerleştirilmiştir. Bu çözüm de prototip motora kıyasla harmonik kayıpları en fazla %55 azaltmaktadır. Benzetim çalışmalarında, kalan harmonik kaybın %40'ının rotor çubuklarında gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Rotor çubuklarındaki kayıp dağılımının incelenmesi, bu kayıpların çoğunluğunun, belirli bir derinliğe kadar bara içine nüfuz eden temel harmoniklerden kaynaklandığını göstermektedir. Dolayısıyla, rotor çubuklarının harmonik nüfuz derinliğinden daha derine yerleştirilmesiyle harmonik kayıpların daha da azaltılması mümkündür. Bu tezde, rotor çubuklarının temel harmoniklerin ulaştığı derinliğin ötesine yerleştirilmesiyle, harmonik rotor bakır kaybını azaltmayı amaçlayan, yeni rotor oluk tasarımları önerilmektedir. Eğimli oluk dudakları (tapered slot lips) ve boş üst oluk yapıları (empty-top slot) gibi tasarımlar temel harmoniklerden kaçınmaya yardımcı olmaktadır. Önerildiği şekilde çubuklar yerleştirildiğinde, harmonik rotor bakır kaybında %80'e kadar (0.73 kW'tan 0.15 kW'a) azalma sağlanabileceği bulunmuştur. Optimal iç çap, eğimli dudaklı rotor oluğu ve stator açık oluklar üzerine yerleştirilen kılıfın birleşimiyle oluşturulan yeni tasarım %95 verim sağlamaktadır. Yeni tasarımın güç faktörü hafifçe azalmış, ancak prototip motora kıyasla %2 içinde kalmıştır (0.87'ye karşı 0.88) ve kalkış momenti %3 artmıştır. Kılıf ve demir çerçeve bazı ek çekirdek kayıpları getirse de, toplam kayıplar prototip motora kıyasla 8.44 kW'tan 6.6 kW'a önemli ölçüde azalmıştır. Özellikle stator bakır kayıpları %12, rotor bakır kayıpları %47 ve rotor çekirdek kayıpları %75 azalmıştır. Lütfen dikkat ediniz ki yeni tasarımda harmonik kayıpların %80'i (rotor diş kaybı ve harmonik rotor bakır kaybı) prototip motora kıyasla ortadan kaldırılmıştır (1 kW'tan 0.19 kW'a). Örneğin, prototip motor bir PMSM olsaydı, verimi %96.1 olurdu (rotor bakır kaybı ve manyetize edici akım olmadığı varsayıldığında). Bu değer, %95 verime ulaşan geliştirilmiş yeni tasarım motora oldukça yakındır. Prototip motorun kayıp dağılım analizi, kayıpların %30'unun çekirdek kaybı olduğunu göstermektedir. Daha iyi bir çekirdek malzemesi arayışı yapılmıştır. JFE süper çelik 10JNEX900 malzemesi çekirdek laminasyonlarında kullanıldığında, yeni tasarımın veriminin %93.7 verimli prototip motora kıyasla %96.2'ye çıkarılabileceği bulunmuştur. Ayrıca farklı rotor çubuğu malzemeleri de araştırılmıştır. Bakır alüminyum oksit CuAl2O3 bu amaç için uygun bulunmuştur. FE analizleri, yeni çubuk malzemesiyle rotor bakır kaybında (120 W) ve verimde (%0.1) minimal bir iyileşme olduğunu göstermiştir. Bunun nedeni, prototip rotor çubuğu malzemesinin zaten yüksek iletkenliğe sahip olmasıdır. Özetle, bu tez, çekiş uygulamalarında indüksiyon motoru performansını artırmaya yönelik etkili bir tasarım yaklaşımı geliştirmektedir.This thesis focuses on closing the performance gap between induction motors (IMs) and permanent magnet synchronous motors (PMSMs) by improving the design of a 125 kW induction prototype motor built for metro trains in Türkiye. Although permanent-magnet motors with their high efficiency have found widespread use and popularity in electric vehicles, their reliance on rare-earth materials motivates the search for cost-effective, rare-earth-free alternatives that maintain high efficiency across the full speed range. The presented research starts by testing the prototype to international standards. A 2D model of this prototype motor is developed and its performance is estimated via simulation using finite element analysis (FEA) in ANSYS Maxwell. The model is improved by comparing its prediction results with test results. In this way, an accurate model capable of predicting motor torque, current, losses, and overall efficiency within 1 % accuracy is obtained. This model is used to study the loss distribution of the prototype motor. The major losses can be distributed further and the harmonic losses are separated with the help of finite element method. To improve the efficiency of the motor, this is essential. Once the loss distribution is identified, means of eliminating the losses can be sought, and the efficiency of the motor can be improved. Increased efficiency allows either increasing the motor output until the original loss level is reached or obtaining a cooler motor operation. Using the model developed, first reducing the copper losses on the stator side by changing the magnetic loading and increasing the conductor cross section is investigated. Although this reduces the copper losses compared to the prototype motor, we found out that increasing the magnetic loading increases the level of saturation (core loss increased by 13%) and magnetizing current due to which the stator current increases by almost 15% and the power factor decreases by a similar percentage. Another important strategy is to improve the motor performance by resizing the stator bore diameter, which increases the stator and rotor slot areas, including the starting and maximum torque. The bore diameter was increased such that the rotor and stator teeth width are maintained while targeting the flux density at the stator back core at the level (1.85 T peak) of increased magnetic loading. Please note that increasing the bore diameter decreases the magnetic loading. Although the efficiency was increased from 93.7% to 93.9% and the losses were reduced, similar to the magnetic loading effect study compared to the prototype motor. The marginal increase in efficiency suggests the optimal stator bore diameter needs to be investigated. The optimal increased bore diameter permits an increase in the rotor copper bar height since there is more area available at the rotor back core. By using the optimal bore diameter and using deeper rotor bars, the optimal bore diameter motor efficiency reaches 94.5% (optimal bore diameter =280mm) from 93.9% (increased bore diameter=284mm). With the reduced magnetic loading, the core shows little saturation, and the stator current is maintained at the prototype motor level. The loss distribution also highlights the higher harmonic losses due to the stator slotting. The second focus of the thesis is the reduction of harmonic core and copper losses, which are 13% of the total loss. To reduce the harmonic loss, the semi-closed stator slots are used. The reduction in the magnitude of airgap harmonic flux components reduces the rotor surface core loss and copper loss by 55% compared to the prototype motor. However, the semi-closed slots are not preferred for the motors with preformed stator coils. To overcome this problem a thin steel sheet called a sleeve is used across the stator open slots as an alternative for the semi-closed stator slots. This solution also offers a maximum reduction of harmonic loss by 55% compared to the prototype motor. In the simulation studies it is observed that 40% of this remaining harmonic loss occurs in the rotor bars. Inspection of the loss distribution of the rotor bars suggests that majority of this loss is due to major harmonics penetrating inside the bar up to a certain depth. So, further reduction of harmonic loss is possible by placing the rotor bars deeper than the harmonic penetration depth of the harmonics. The thesis proposes new rotor slot designs to reduce the harmonic rotor copper loss by placing them deeper than the major harmonic penetration depths. Designs such as tapered slot lips and empty-top slot structures help avoiding the major harmonics. We found out that up to 80% (from 0.73kW to 0.15kW) reduction of the harmonic rotor copper loss is possible by placing the bars as proposed. The new design, which combines an optimal bore diameter with a tapered lip rotor slot and a sleeve across the open stator slots, achieves an efficiency of 95%. The power factor of the new design remains within 2% of the prototype motor (0.87 vs 0.88) and the starting torque is increased by 3%. Although the sleeve and iron frame introduce some additional core loss, the overall losses are significantly reduced from 8.44 kW to a 6.6 kW compared to the prototype motor. Specifically, stator copper loss decreases by 12%, rotor copper loss by 47%, and rotor core loss by 75%. Please note that in the new design 80% of harmonic losses (rotor teeth loss and harmonic rotor copper loss) are eliminated compared to the prototype motor (1kW to 0.19kW). For example, if the prototype motor were a PMSM, its efficiency would be 96.1% (assuming a PM motor with no rotor copper loss and magnetizing current), which is close to the efficiency of the improved new design motor at 95%. Loss distribution analysis of the prototype motor shows that 30% of the losses of the motor are core loss. A better core material is sought. It is found that when JFE super steel 10JNEX900 material is used for core laminations, the efficiency of the new design can be increased further to 96.2%, compared to a 93.7% efficient prototype motor. We also investigated different rotor bar materials. Copper aluminum oxide CuAl2O3 is found suitable for the purpose. FE analysis showed that with the new bar material a minimal improvement (120Watt) in the rotor copper loss and efficiency (0.1%) is observed. This is because the prototype rotor bar material is already highly conductive. In summary, this thesis develops an effective design approach for improving induction motor performance in traction applications.