Dalgıç Motor elektromanyetik tasarımı ve analizi

1. 1.   GİRİŞ

Asenkron motorlar endüstride en yaygın kullanılan elektrik motorlarıdır. Diğer elektrik makinalarına göre daha ucuzdurlar ve bakıma daha az ihtiyaç gösterirler. Sanayide ve diğer birçok alanda büyük çoğunlukla kullanılan sincap kafesli asenkron motorlar, üretimi en kolay, en dayanıklı, işletme güvenliği en yüksek, bakım gereksinimi en az ve en yaygın elektrik motorudur.

Asenkron motor, genel olarak stator ve rotor olmak üzere iki kısımdan oluşur. Motorun duran kısmı stator dönen kısmı ise rotor olarak adlandırılır. Asenkron motorun stator sargılarından geçen akım manyetik döner alan oluşturur ve bu döner alanın etkisi altında kalan rotor sargıları üzerinde alternatif gerilimler endüklenir. Rotor sargıları kısa devre edilmiş ise, bu sargılar üzerinden geçen akımlar rotor döner alanını oluşturur. Rotor döner alanı ile stator döner alanının karşılıklı etkimesi sonucu rotor dönmeye başlar.

1. 2.   DALGIÇ MOTOR TASARIM VE ANALİZİ

2.1  Dalgıç Motorlar 

Dalgıç motorlar ıslak statorlu yani stator sargıları tamamen suyun içinde çalışan sincap kafesli asenkron motorlardır. Tamamen suyun içinde çalışması nedeniyle klasik asenkron motorlara göre tasarım ve malzeme farklılıkları vardır. Kuyu içine yerleştirilerek kullanıldıkları için kuyu çapına göre çap sınırları mevcuttur (6-8-10 vb. inch). Dolayısıyla motor etiket gücünü arttırabilmek için motor çapını sabit tutup paket boyunu arttırmak gerekmektedir. Stator sargıları suya karşı izole etmek için özel tasarlanmış bobin telleri kullanılır. Örneğin 1.5mm bakır çapı bulunan tel yalıtım (PVC, PE vb.) ile birlikte 2.4-2.5mm çapa ulaşabilmektedir. Bu da oluk bakır doluluk oranlarını klasik kuru tip motorlara göre çok düşük kalması anlamına gelmektedir. Tel yalıtım kalınlığı motor kayıplarını arttıran ve verimini düşüren en önemli etkenlerden bir tanesidir.

2.2    Tasarım 

Motor tasarım yazılımlarında malzeme ve geometri bilgisi tanımlanarak analiz gerçekleştirilir. Yazılımlar tasarım çıktılarını görmemizi ayrıca tasarım parametrelerinin çıktılara etkisinin incelenebilmesini sağlar. Yazılım, motor tasarım çıktılarını eşdeğer devre analizi kullanarak hesaplar (Bkz. Şekil-1). Empedanslar ve dirençler motor geometrisi, sargı ve malzeme bilgisi kullanılarak, moment ve güç ise devre çözüm yöntemleri yardımıyla hesaplanır.

Şekil-1 Asenkron Motor Eşdeğer Devre Şeması ve Denklemleri

2.2.1   Tasarım Girdileri

Bu çalışmada 8 inch 55kW dalgıç motor tasarlanacaktır. Tasarım ile ilgili sınır koşullar Tablo-1’de belirtilmiştir.

Tablo-1 Tasarım Girdileri ve Sınır Koşulları

Motor tasarımı yapılırken rotor ve stator sac paket malzemeleri bobin teli ve yalıtım malzemesi tasarım için girdi oluşturacaktır.

Silisli sac malzeme özellikleri, motor üzerinde oluşan demir kayıplarının belirlenmesini sağlar. Farklı malzemeler için 1.5T manyetik alan uygulandığında 1 kg silisli sacda ne kadar kayıp olduğu Tablo-2’de görülmektedir. Malzemelerin manyetik sınırı B-H eğrileri ile belirlenir, bu sınır B-H eğrisinin dirsek noktasıdır (Bkz. Şekil-2). Dirsek noktası üzerindeki manyetik alanda malzeme kararsız çalışacağından manyetik kayıplar artar, bu nedenle tasarımda değişikliğe gidilmelidir.

Tablo-2 Sac Malzeme Özellikleri

Şekil-2 Sac Malzeme B-H eğrisi Örneği

2.3.      Motor Analizi ve Sonuçlar

Şekil-3 Tasarlanan Motor Geometrisi

Motor tasarımı için kullandığımız yazılım vasıtasıyla sınır koşulları ve tasarım girdileri tanımlanır. Şekil 3’te görülen örnek motor geometrisine ek olarak Tablo-3’de belirtilen motor sipir sayısı tel çapı doluluk oranı gibi parametreler de tanımlanarak bunların motor performansına etkisi incelenir.

Tablo-3 Değişken Tasarım Parametreleri

Motor girdileri tanımlandıktan sonra kalıcı durum analizi ve Moment-Hız analizi gerçekleştirilir. Kalıcı durum analizinde motorun tam sinüsoidal bir kaynaktan beslendiği kabul edilir ve çeşitli yükleme durumları için motor çıktıları hesaplanır. Moment-hız analizinde ise motorun 0 devir/dak’dan senkron hızı olan 3000 devir/dak hıza kadar moment noktaları belirlenir ve bu verilerle moment-hız eğrisi çizilir.

Tablo-4 Nominal Yükte Tel Çapının Motor Çıktılarına Etkisi

Grafik-1’de görüldüğü gibi tel çapının artması ile motor daha fazla moment üretebilmektedir.

Grafik-2 ve Tablo-4’te görülen analiz sonuçlarına göre tel çapı arttıkça motor verimi yükselmektedir. 2,0 mm çapında tel kullanıldığında nominal yükteki motor verimi 1,8 mm çaplı tel kullanılan motora göre %1.5, 1,6 mm çaplı tel kullanılan motora göre %2,3 artmaktadır.

Grafik-2 Tel Çaplarına göre Verim-Hız karşılaştırması

Tel çapının artması ile motor verimi yükselmesine rağmen üretilebilirlilik (tellerin oluklara yerleştirilmesi) açısından sorunlar ortaya çıkabililir. Ayrıca dalgıç motorlarda kullanılan tel yalıtım malzemesinin kalın olması nedeniyle oluk doluluk oranı klasik kuru tip motorlar gibi %40-45 yerine %20-25 mertebelerinde kalır dolayısıyla dalgıç motorların verimi aynı güçteki kuru tip asenkron motorlara göre oldukça düşüktür.

1. 1. 3.     SONUÇLAR

Dalgıç motor tasarım girdileri sınır koşulları ve değişken parametreler olmak üzere iki ana gruba ayrılır. Gerçekleştirilen tasarımda, motor gövde çapı ve devir sayısı gibi sınır koşullarının yanı sıra oluk doluluk oranı haricindeki tüm değişken parametreler (hava aralığı, paket boyu vb.) sabit tutulmuş ve doluluk oranı değişiminin tasarım çıktılarına etkisi incelenmiştir. Oluk doluluk oranının arttırılması ile motor verimi ve moment değeri yükselmiştir. Ancak oluk doluluk oranının artması ile tel maliyetlerinin artacağı ve üretilebilirliğin zorlaşacağı göz önünde bulundurularak optimum tel çapı belirlenmeli ve tasarım sonlandırılmalıdır.

KAYNAKLAR

1. 1. Fitsgerald A E, Kingsley C Jr, Umans S D, Electric Machinery, McGraw-Hill, Fifth Edition, 1992

1. 1. Krause P C, Wasynczuk O, Sudhoff S D, Analysis of Electric Machinery and Drive System, Wiley-Interscience, Second Edition, 2002

1. 1. Dorrell D G, Miller T J E, Rasmussen C B, Interbar currents in Induction Machines, IEEE Industry Applications Society, 2001

SUMMARY

Submersible motors are kind of squirrel cage induction machine composed of wet rotor and stator which means electrical parts of motor operating in water. Since coil surrounded by water it has to be insulated. Diameter of the insulation can be so high that while copper diameter is 1.5 mm, coil diameter can be reach 2.5 mm. These motors are used in deep wells so the motor body has diameter restriction. For that reason to increase the output power of motor the length of the body has to be extended.

In this paper a submersible motor, which has nominal output power of 55kW, is designed by means of a CAD software. Considering the boundary conditions and slot fill differences between submersible and general purpose motors, boundry conditions and lamination dimensions for 55kW motor are determined. Also for diffirent slot fill values, design outputs are analysed. Additionally, key points which should be considered during analysis and CAD software are introduced.