Çift Sargılı Kuplajsız Elektrik Makinası Termal Analizleri

Elektrik makinalarının günümüz uygulamalarında yüksek verim, düĢük ağırlık ve maliyet gibi beklentiler termal analizi motor tasarımının önemli bir parçası haline getirmektedir. Bir elektrik makinasında yüksek sıcaklıkların, sargı yalıtımına zarar vererek motor ömrünün kısaltmaması, mıknatısların magnetizasyonunu bozmaması ve mekanik deformasyonlar olmaması için makinadaki sıcaklık dağılımının önceden belirlenmesi gerekmektedir. Motorun karmaĢık bir geometriye sahip olması, kullanılan malzemelerin farklı ısıl özellikler taĢıması, ısı kaynaklarının, yani kayıpların makine içinde dağılmıĢ olması ve motorun hareketli parçalar içermesi nedeniyle sıcaklık ölçümünü sensörler aracılığıyla doğrudan yapmanın maliyeti çok yüksektir. Bu nedenle motorun ısıl davranıĢını belirlemek için paket yazılımlar kullanılmaktadır (Motor CAD, Ansys ve ThermNet).

Termal analizde bu hesaplamalar için iki yöntem kullanılmaktadır. Bunlar;  Analitik Lumped-Devre modeli

 Nümerik analiz (Sonlu Elemanlar Yöntemi ve AkıĢkanlar Dinamiği)

Bu çalıĢmada nümerik analiz yöntemi kullanılarak belli baĢlangıç koĢulları altında makinenin ısıl davranıĢı ve makinedeki sıcaklık dağılımları incelenmektedir. Elektrik makinelerinin termal analizinin yapılabilmesi için ısı transferinin makinede nasıl gerçekleĢtiği önemlidir. Bu yüzden elektrik makinelerinde ısı transferi temelleri bu kısımda verilmektedir.

Elektrik makinelerinde kayıpların meydana getirdiği ısı enerjisi üç farklı Ģekilde dağılır. Bunlar; konveksiyon, kondüksiyon ve radyasyon olayları olarak sınıflandırılabilir. Isı transferi eğer birbirine temas eden katı cisimler arasında oluyorsa bu durumda gerçekleĢen ısı transferine iletimle ısı transferi (kondüksiyon) denir. Isı transferi hareketli akıĢkanlar veya herhangi hareketli bir akıĢkanın temas

72

ettiği katı bir cisim arasında oluyorsa bu durumda taĢınımla ısı transferi (konveksiyon) meydana gelir. Sonlu sıcaklıktaki bütün yüzeyler elektromanyetik dalga formunda enerji yayarlar. Bu nedenle farklı sıcaklıklarda bulunan ve birbiri arasında engelleyici bir ortam olmadan birbirini gören iki yüzey arasında ıĢınımla ısı transferi (radyasyon) meydana gelir. Kondüksiyon ile olan ısı transferinin temel denklemi fourier ısı iletim kanunu ile tanımlanmakta iken konveksiyonla olan ısı transferinin temel denklemi Newton‟un soğuma kanunu ile verilmektedir. Radyasyon ile olan ısı transferinin temel denklemi ise Stephan-Boltzman ıĢıma kanunu ile verilmektedir [61-63].

Motorun elektriksel ve mekanik kayıpları, ısı kaynaklarını oluĢturur. Motor içerisinde ve motorla dıĢ ortam arasında ısı aktarımı iletim, taĢınım ve radyasyon aracılığıyla olur. Makinenin katı parçaları için iletim yöntemi baskındır, soğutucu akıĢkanlardaki aktarım ise taĢınım yöntemiyle olmaktadır. Küçük ve orta güçlü elektrik makinalarında, hızın (dolayısıyla zorlanmıĢ taĢınım ile ısı aktarımının) çok düĢük olduğu durumlar haricinde yayınım yoluyla aktarılan ısı enerjisi, taĢınıma oranla çok küçüktür ve ihmal edilebilir. Elektrik makinelerinde taĢınım yolu ile ısı transferi ağırlıklı olarak üç bölgede gerçekleĢir:

 Çerçeve ve ortam havası arasındaki bölge  Sargı sonu ve eksenel uç bölge

 Stator ya da rotor ile hava aralığı arasındaki bölgede

Isı taĢınımı problemlerinin çözümünde temel formül, Newton‟un soğuma yasasıdır. Denklem (3.20) ile verilen taĢınım ısı transfer miktarının (θ), taĢınım ısı transfer katsayısı (hc), yüzey alanı (As), yüzey sıcaklığı (Ts) ve serbest akıĢkan sıcaklığı (Tf)

parametrelerine bağlı olduğu gösterilmektedir.

θ hc As ( Ts- Tf) (3.20)

Isı taĢınım katsayısı (hc) ısı taĢınımı ile olan ısı transferinde en önemli büyüklüktür.

Birçok faktöre bağlı olarak belirlenen bu değer, problemin çözümünde en önemli aĢamayı oluĢturmaktadır. Isı taĢınım katsayısının belirlenmesi; akıĢ tipine, akıĢkanın cinsine, akıĢkanın fiziksel özelliklerine ve yüzey Ģekline bağlı olarak değiĢir.

73

Çift sargılı elektrik makinasının termal analiz çalıĢmasında ısı taĢınım katsayısı 10 W/m2 olarak belirlenmiĢtir [63]. Ayrıca çift sargılı elektrik makinasının tasarımında kullanılan malzemelerin termal özellikleri Tablo 3.25‟de yer almaktadır.

Tablo 3.25. Kullanılan malzemelerin termal özellikleri Çift Sargılı Elektrik

Makinası Kullanılan Malzemeler Termal Ġletkenlik (W/m o_C) Termal Isı Kapasitesi (J/Kg o_C) Kitle Yoğunluğu (Kg/m3₎ Stator & Rotor (M270) 13 502 7600

Mıknatıs (NdFeB) 9 0,1200 7390

Sargı (Bakır) 401 385 8954

Hava 0,025 1,0056 1,20

Çift sargılı elektrik makinasının Maxwell programı ile yapılan manyetik analizler sonucunda elde edilen kayıp-hız değiĢimi ġekil 3.42‟de verilmektedir. Beklenildiği gibi, çift sargılı elektrik makinasının hızı arttıkça nüve ve eddy akımı kayıplarıda artmaktadır. Özellikle yüksek hızlara çıkıldıkça bu kayıp değerleri oldukça artmaktadır. Bunun temel nedenlerinden biri kullanılan sargı topolojisidir. Konsantre sargı tekniği sağladığı avantajların yanısıra yüksek sub-harmonikler meydana getirmesi en büyük dezavantajı olarak ortaya çıkmaktadır. Dolayısıyla bu sub- harmonik değerlerinin yüksek olması özelliklede yüksek frekans değerlerinde daha da artması bu kayıp değerlerinin artıĢına neden olmaktadır. ġekil 3.42‟de yer alan veriler kullanılarak yapılan termal analiz sonucunda elde edilen sıcaklık değiĢim grafiği ġekil 3.43‟de gösterilmektedir. Sıcaklık değiĢimi grafiğinden de açıkça görüldüğü gibi hız arttıkça makinanın sıcaklığıda artmaktadır.

ġekil 3.42. Çift sargılı elektrik makinasının toplam kayıp – hız grafiği 0 100 200 300 400 500 600 700 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Kay ıp Gü ç (W ) Hız (d/dk)

Stator Nüve Kayıpları Rotor Nüve Kayıpları Mıknatıs Kayıpları Toplam Bakır Kayıpları

74

ġekil 3.43. Çift sargılı elektrik makinasının sıcaklık – hız grafiği

Yapılan termal analiz sonuçları göz önüne alındığında, çift sargılı elektrik makinasının 5000 d/dk üzerindeki hız değerlerinde uzun süreli çalıĢması, bu çalıĢma kapsamında kullanılan mıknatısların sıcaklık dayanım sınırları göz önüne alındığında zarar görebilir. Ancak tasarlanan makinanın kullanıldığı uygulama göz önüne alındığında 3000 d/dk üzerindeki hız değerlerinde çalıĢma süreleri oldukça kısadır. Stator sargıları sıcaklık değerleri kullanılan emayeli telin izolasyonunu bozacak seviyelerde değildir. Çift sargılı elektrik makinasının 1500 d/dk hız değerinde ve tam yük altında motor-generatör çalıĢması durumunda elde edilen sıcaklık dağılımı ġekil 3.44 ile verilmektedir.

ġekil 3.44. Çift sargılı elektrik makinası sıcaklık dağılımı, tam yük, 1500 d/dk

0 50 100 150 200 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Sıcak lık ( °C) Hız (d/dk) Sargı Sonu Mıknatıs Stator DiĢi Stator Boyunduruğu

75

ġekil 3.45‟de ise çift sargılı elektrik makinasının 1500 d/dk hızında tam yüklü durumda generatör modda çalıĢmasına ait termal kamera ile çekilmiĢ sıcaklık dağılımını gösteren fotoğraflar yer almaktadır.

ġekil 3.45. Çift sargılı elektrik makinası sıcaklık dağılım fotoğrafları