Eksenel Akılı Sabit Mıknatıslı Açık Oluklu Senkron (EASMAOS) Alternatörlerde Mıknatıs Gruplama Tekniğinin Uygulanması

Abstract

Dünyamızda fosil yakıt rezervlerinin azalması, belli ülkelerin tekelinde olması, enerji ihtiyacının ve çevre kirliliğini arttırması sebebiyle yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelme olmuştur. Bu kaynaklardan biride rüzgâr enerjisidir. Bu güne kadar rüzgâr türbinleri, kanatlardan gelen hareketi alternatörlere dişli sistemlerle aktardığından büyük hacimli ve sürekli bakım gerektiren sistemler olmuştur. Bu olumsuzlukları gidermek amacıyla kanat miline direk bağlanabilecek alternatörler geliştirilmiştir. 19. Yüzyıl’dan itibaren üzerinde çalışılan “Eksenel Akılı Sürekli Mıknatıslı (EASM) Makineler” düşük güç yoğunluklu mıknatıslar sebebiyle sınırlı uygulama alanı bulmuştur. 1980 yıllardan sonra mıknatıs teknolojisindeki önemli gelişmeler meydana gelmiştir. Böylece rotorda sargı yerine yüksek manyetik akı sağlayan mıknatıslar (NdFeB ve Sm2Co17) kullanılmaya başlanmıştır. Böylece rotordaki sargılarda oluşan bakır kayıpları olmadığından verimde yükselmeler olmuştur. Böylece günümüzde “Eksenel Akılı Sürekli Mıknatıslı Makineler” küçük hacim ve ağırlıkta, düşük kayıplar, yüksek ağırlık/moment oranı ve yüksek güç gibi avantajlara sahip olarak sık kullanılan bir makine haline gelmiştir. EASM makineler sahip oldukları önemli özellikler yanında, bazı dezavantajlara sahiptir. Vuruntu momenti bunlardan en önemli olanıdır. Oluk kenarı ile mıknatıs arasında meydana gelen etkileşim sonucu oluşan bozucu momentlere vuruntu momenti denir. EASM makinelerinde açık oluk kullanımı üretim maliyetini önemli ölçüde düşürmekle birlikte, vuruntu momenti değerlerini ciddi oranda arttırmaktadır. EASM makinelerinde vuruntu momentini gidermek için literatürde birçok yöntem verilmiştir. Verilen bu yöntemler temelde ikiye ayrılır. Birincisi rotor tarafında yapılan teknikler, ikincisi ise stator tarafında yapılan tekniklerdir. Rotor tarafında yapılan teknikler üretim maliyeti açısından daha uygundur. Bunların başlıcaları: mıknatıs kaykı teknikleri, çift rotorlu sistemlerde rotor kaydırma, her iki rotorda farklı yay uzunluğunda mıknatıs kullanma, mıknatısların kendi etrafında belli bir açıyla döndürülmesi, değişik tip mıknatıs kullanımı ve mıknatıs gruplamasının yapılmasıdır. Bu çalışmada açık oluklu eksenel akılı sabit mıknatıslı (AOEASM) alternatörün vuruntu momentini azaltmak için mıknatıs gruplama tekniği önerilmiştir. Önerilen bu teknik için deneysel bir düzenek oluşturularak 2- 4 ve 6’lı gruplama için deneysel veriler elde edilmiştir. Literatürde sadece 2’li gruplama tekniğinden bahsedilmiştir. Literatürde yapılan çalışmalar ise simülasyon ile sınırlı kalmıştır. Dolayısıyla yapılan bu çalışma ile açık oluk yapısına sahip alternatörde meydana gelen büyük vuruntu momentlerini gidermek için farklı sayıda gruplamalar yapılarak alternatör performansı üzerine etkileri incelenmiştir. Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda mıknatıs gruplama tekniğinin vuruntu momenti ve harmonik bozulmaları için etkili olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Bununla birlikte gruplama sayısı arttıkça gruplar arası açının da azalması gerektiği ortaya çıkmıştır. Ayrıca 2- 4 ve 6’lı gruplamalarda optimum açı değerleri ise sırasıyla 34- 32 ve 30 derece olarak bulunmuştur.

In our world, there has been a tendency towards renewable energy resources due to the reduction of fossil fuel reserves, the monopoly of certain countries, the increase in energy demand and the increase of environmental pollution. One of these renewable energy sources is wind energy. Until this day, transferring the motion from the propeller to the alternators with gear systems bring about the large volume of wind turbines and requiring constant maintenance. Alternators have been developed which can be connected directly to the propeller shaft in order to eliminate these problems. The Axial Flux permanent Magnet (AFPM) machines, which have been studied since the 19th century, have found limited application due to their low power density. After 1980, significant developments in magnet technology have taken place. Thus, instead of winding in the rotor, high magnetic flux magnets (NdFeB and Sm2 Co17) have started to be used. Thus, there was an increase in yield due to the lack of copper losses from windings in the rotor. Today, Axial Flux Permanent Magnet Machines has become a frequently used machine with advantages such as small volume and weight, low losses, high weight / torque ratio and high power. Besides the important features that AFPM machines have, there are some disadvantages. The cogging torque is the most important one. Breaking moments that occur as a result of the interaction between the edge of the slotted and the magnet are called the cogging torque. The use of open slotted of AFPM machines significantly reduces the production cost and increases the quantity of cogging torque considerably. In AFPM machines, many methods have been given in the literature to eliminate the cogging tork. These methods are basically divided into two. The first is the techniques on the rotor side and the second is the stator side. Rotor side techniques are more suitable for production costs. The major ones are: magnet shift techniques, rotor shift at double-rotor systems, using different spring length magnets in both rotors, rotating the magnets around an angle, use of different types of magnets and magnet grouping. In this study, a magnet grouping technique has been proposed to reduce the cogging torque of an open slotted axial flow permanent magnet (OSAFPM) alternator. By forming an experimental apparatus for the suggested technique, experimental data were obtained for 2,4 and 6 grouping. In the literature, only two-grouping technique is mentioned. The studies were limited to simulation. Therefore, with this study, the effect on alternator performance was investigated by using different number of groupings in order to eliminate the big cogging torques occurring in the alternator with open gutter structure. As a result of the experimental studies, it was concluded that the magnet grouping technique was effective for the cogging torque and harmonic distortion. At the same time, as the number of grouping increases, it has become clear that there should be a decrease in the number of angle between groups. Besides, in groupings 2, 4 and 6, the optimum angle values were 34, 32 and 30 degrees, respectively.