Standart Bir Sincap Kafesli Asenkron Motorun, ANSYS Rmxprt ve Maxwell Yazılımları ile Analizi

Standart Bir Sincap Kafesli Asenkron Motorun, ANSYS Rmxprt ve Maxwell Yazılımları ile Analizi

Alperen ÜŞÜDÜM, Elektromanyetik Tasarım ve Analiz Mühendisi / FİGES A.Ş.

Asenkron motorlar, neredeyse 100 yılı aşkın bir süredir endüstride geniş bir yelpazede kullanılmaktadır. Son yıllarda, kontrol teknolojilerinin de gelişmesi ile bu düşük maliyetli motorlar, farklı hız kontrollerine ihtiyaç duyulan alanlarda da yerlerini almaya başlamıştır. Diğer motor tiplerine göre verimlerinin nispeten düşük olması, enerji verimliliği açısından olumsuzluk teşkil etmekte olmasına rağmen, bu motorların verimlerinin arttırılması yönünde araştırmalar sürmekte ve dünya çapında verimli motor teşvikleri yaygınlaşmaktadır. Motor üreticileri de bu yönde, hem motor tasarımlarını hem de üretim proseslerini iyileştirme yönünde çalışmalar yapmakta, rekabetçi piyasa koşullarında motor verimlerini arttırıp üretim maliyetlerini düşürme yönünde ciddi projeler yürütmektedirler [1].
Günümüzde bilgisayar destekli analizler, motor imalatçılarına proses adımlarında karar verilmesi gereken bazı parametrelerin seçilmesinde yardımcı olduğu için hızla yaygınlaşmaktadır. Bu makalede, tasarım ve üretim maliyetlerini azaltmaya katkı sağlayan bu analizlere örnek olarak, parametreleri verilen standart bir asenkron motorun ANSYS Rmxprt ve Maxwell yazılımları kullanılarak tasarlanması açıklanmış ve analizler gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, değişik rotor çaplarından doğan farklı hava aralıklarının etkileri de analiz edilmiş; hava aralıklarına göre tork, devir ve akım değerlerinin değişimi incelenmiş ve manyetik akı dağılımları elde edilerek sonuçlar sergilenmiştir.

Analizlerde Kullanılan Motorun Tasarımı

Örnek model olarak IEC standartlarına uygun 112M yapı büyüklüğünde 5 kW gücünde bir asenkron motor tasarlanıp modeli oluşturulmuştur [2]. Tasarımda kullanılan motorun boyutları Tablo 1’de; motor etiket bilgileri ise Tablo 2’de verilmiştir. Verim, akım ve tork değerleri ise analizlerde incelenmiştir.

Rmxprt Yazılımı ile Asenkron Motor Tasarımı ve Analiz Sonuçları

Rmxprt, elektrik motor ve jeneratör tasarımlarında ilk adımda kullanılan, tasarımcıyı yönlendiren ve tasarım sonucu oluşan motorun analitik çözümlerinin detaylı olarak alınabildiği, motor tasarımcısının vazgeçilmez araçlarından birisidir. Maxwell ile tam uyumlu çalışması sebebiyle bu platformda yapılan tasarımın Maxwell ortamına doğrudan aktarılıp, sonlu elemanlar analizi için model oluşturulması aşaması kolaylıkla yapılabilmektedir. Bu çalışmada da motor, ilk olarak Rmxprt ortamında tasarlanmıştır.
Malzeme olarak; stator ve rotor sac malzemesi M600-50A, rotor çubukları alüminyum, sargılar bakır olarak atanmıştır. Rmxprt ile yapılan analizde, 5 kW gücün, 1400 rpm'de, 34 Nm tork ile üretildiği görülmüştür. Bu noktadaki temel değerler ve Rmxprt analiz sonuçları, Tablo 3'te görülmektedir. Rmxprt ile elde edilen teorik akım-devir, tork-devir, verim-güç ve güç-devir grafikleri ise Şekil 2’de görülmektedir.

Maxwell 2D

Rmxprt'te tasarımı ve analizi yapılan motor, Maxwell 2D ortamına Şekil 3’teki gibi aktarılmıştır. Rmxprt, Maxwell'in ihtiyaç duyduğu ayarları da (“excitations” ve “mesh operations” gibi) en optimum şekilde aktarmaktadır.
Simülasyon için, öncelikle motor modelinin ağ örgüsü, Şekil 4’te görüldüğü gibi Maxwell tarafından otomatik olarak oluşturulmaktadır.
Yapılan simülasyon sonucunda, motorun, yaklaşık 150 ms’lik geçici rejimin ardından, nominal değerine oturduğu görülmektedir. 34 Nm yükü, 1397 rpm devirde döndürmektedir ve bu çalışma noktasında, stator fazından RMS 11,37 A akım çekmektedir. Bu değerler, Rmxprt'in analitik olarak hesapladığı değerlerle örtüşmektedir. Maxwell’in çıktılarından olan motorun manyetik akı dağılımı, Şekil 5’te görülmektedir.


Şekil 3. Rmxprt'ten Maxwell'e aktarım.

Farklı Rotor Çaplarından Doğan Farklı Hava Aralıklarının Etkilerinin Analiz Edilmesi

Bu bölümde, asenkron motor üretiminde genel bir proses adımı olan "Rotorun Tornalanması"  sonucunda hava aralığında meydana gelen değişikliğin motor performansına etkisi, Maxwell yazılımı ile incelenmiştir.
Torna prosesinin modellenebilmesi için hava aralığı içinde model dışı bir halka çizilip, bu halka ile rotor geometrisi, kesme operasyonuna tabi tutulmuştur. Halkanın çapı parametrik olarak ayarlanmış ve böylece mevcut rotor modeline istenen ölçülerde, dış çaptan içe doğru kesim operasyonu uygulanabilmiştir.
102,75 mm'den başlayan dış çapa, 0,5 mm basamaklar ile 100 mm'ye kadar kesim uygulanarak her bir yeni geometri için analiz 6 defa tekrarlanmıştır. Böylelikle hava aralığı, 0,25 mm'den 1,5 mm'ye kadar olan bir yelpazede incelenmiştir.
Bu işlem için halka çapı, Maxwell Optimetrics aracı ile parametrik değer olarak tanımlanarak analizlerin otomatik yapılması ve sonuçların aynı grafikler üzerinde görülebilmesi sağlanmıştır. Torna prosesi sonucu elde edilen rotor hava aralıklarının görünüşü Şekil 6’da verilmiştir.

Şekil 4. Maxwell 2D motor tasarımı ağ örgüsü.

Transient Analiz

Model üzerinde 500 ms boyunca 0,50 ms aralıklar ile transient analiz yapılmıştır. Motora 20 Nm yük momenti uygulanmış ve yük altında kalkışı ve yol alması modellenmiştir. Analiz sonucunda değişen hava aralığına göre tork, stator faz akımları ve harmonikleri, demir kayıpları ve manyetik akı dağılımı sonuçları elde edilmiştir.



Analiz Sonuçları

1- Tork Grafiği: Değişen hava aralıkları ile torkun değişim grafikleri Şekil 7’de görülmektedir.
2- Devir Grafiği: Değişen hava aralıkları ile elde edilen devir grafikleri Şekil 8’de görülmektedir.
3- Akım Grafiği: Hava aralıkları değişimi ile akım değişim grafikleri Şekil 9’da, akım detay grafikleri ise Şekil 10’da yer almaktadır. Şekil 10'da belirtilen akım grafikleri detayına bakıldığında, hava aralığına göre akım
formunun tepe değerleri, 1,50 mm için 15 A; 1,00 mm için 12,2 A; 0,75 mm için 11,25 A; 0,25 mm için 10 A olduğu görülmektedir. Böylece, hava aralığı arttıkça akımın arttığı söylenebilir.
4 - Akım Harmonikleri: Hava aralıkları değişimi ile akım harmonikleri değişimleri Şekil 11’de görülmektedir.
5- Manyetik Akı Dağılımı: 1,50 mm hava aralığı değeri için manyetik akı dağılımı Şekil 12’de ve 0,25 mm hava aralığı değeri için manyetik akı dağılımı Şekil 13’te görülmektedir.


Şekil 5. Manyetik akı dağılımı.

Şekil 6. Torna prosesi sonucu elde edilen rotor hava aralıklarının görünüşü.

Sonuçlar

Hava aralığı mesafesi değişiminin, motor verimi ve performansı açısından, hem avantaj hem de dezavantaj olarak iki türlü etkisi olduğu görülebilir. Hava aralığı azaldıkça, dişlerdeki manyetik doymaların arttığı; buna bağlı olarak da torkta dalgalanmaların ve faz akımında harmoniklerin oluşmaya başladığı; demir çekirdek kayıplarının arttığı görülmektedir. Öte yandan, hava aralığı azaldıkça, hem kalkış akımlarının hem de nominal çalışma akımlarının azaldığı; akımın düşmesinden dolayı da bakır kayıplarının azaldığı görülmektedir.

Şekil 7. Hava aralıklarına göre tork grafiği.

Şekil 8. Hava aralıklarına göre devir grafiği.

Şekil 9. Hava aralıklarına göre akım grafiği.

Şekil 10. Hava aralıklarına göre akım detay grafiği.

Şekil 11. Hava aralıklarına göre harmonik grafiği.

Şekil 12. Hava aralığı 1,50 mm için manyetik akı dağılımı.

Şekil 13. Hava aralığı 0,25 mm için manyetik akı dağılımı.
Hem verimli hem de sağlıklı çalışan bir motor tasarımı için, hava aralığı optimizasyonunun önemi bu çalışmada ortaya çıkmaktadır. En iyi motoru tasarlayabilmek için, dişlerdeki doymaları en aza indirerek hava aralığını, imalat toleranslarının izin verdiği ölçülerde en düşük seviyeye çekmenin gerekli olduğu görülmektedir. Bu bağlamda, asenkron motorların verimlerinin yükseltilip iyileştirilmesi çalışmalarında, hava aralığının en önemli parametrelerden birini teşkil ettiği söylenebilir.
Bilgisayar destekli analizlerle parametrik değişimlerin etkileri incelenebilmekte ve tasarım ve üretim süreçlerinde kolaylık sağlanmaktadır. Bu çalışmada, ANSYS tarafından geliştirilen Rmxprt ve Maxwell yazılımları kullanılarak analizler gerçekleştirilmiştir.

Referanslar

[1] A. Usudum, D. Bolukbas, "The Performance Analyses of an Induction Motor due to Specified Fault Conditions", 28-30 Kasım 2013, ELECO 2013, Bursa, Türkiye.
[2] Ahmet Hamdi SAÇKAN, Endüstri Meslek Liseleri İçin Elektrik Makinaları Cilt III, MEB (1996)