Farklı endüstriyel uygulamalar için: Dış rotorlu ve düşük devirli asenkron makine tasarımı
Yıl: 2023 Cilt: 38 Sayı: 4 Sayfa Aralığı: 2009 - 2023 Metin Dili: Türkçe DOI: 10.17341/gazimmfd.937127 İndeks Tarihi: 29-09-2023
Farklı endüstriyel uygulamalar için: Dış rotorlu ve düşük devirli asenkron makine tasarımı
Öz: Günümüzde gelişmekte olan yeni teknolojilerle birlikte asenkron makinelerin geleneksel kullanım alanlarına ek olarak motor ve generatör olarak kullanım alanları giderek genişlemektedir. Son yıllarda elektrikli taşıtlarda motor/generatör, rüzgar türbinlerinde ve mikro-hidroelektrik üretimi gibi alanlarda asenkron generatör olarak kullanımı yaygınlık kazanmıştır. Bu çalışmada dış rotorlu asenkron motor uygulamalarında ve tercihe bağlı olarak doğrudan tahrikli generatör olarak da kullanılabilecek, düşük devirli ve yüksek tork değerli dış rotorlu asenkron makine tasarımı amaçlanmıştır. 16 kutuplu, 50 Hz frekanslı, 375 rpm senkron hızlı, 1 kW gücünde dış rotorlu asenkron makine tasarımı, optimizasyonu ve elektromanyetik analizi yapılmıştır. Analizler için altı farklı model geliştirilmiştir. Stator tasarımlarında tek oluk tipi ve 72 oluk, rotor tasarımda 59 oluk ve üç farklı oluk tipi kullanılmıştır. Sincap kafesli rotor için Bakır ve Alüminyum malzeme tercih edilmiştir. Çalışma Ansys Maxwell elektromanyetik paket programı ile gerçekleştirilmiştir. Çalışmada Rmxprt-optimetrics modülü ile en yüksek verim hedeflenerek, makine temel büyüklükleri, hava aralığı ve oluk ölçüleri optimize edilmiştir. Sonrasında Sonlu Elemanlar Yöntemi ile elektromanyetik analizleri yapılmıştır. Makinenin motor çalışma bölgesi için yapılan analizler sonucunda IEC 6003430-1’e göre, IE2 ve IE3 sınıfında 1,1 kW gücünde 8 kutuplu iç rotorlu asenkron motorların veriminin üzerinde bir verim elde edilmiştir. Bu sonuca göre dış rotorlu, düşük devirli ve yüksek torklu asenkron makine üretilebileceği ve motor olarak kullanılabileceği görülmüştür.
Anahtar Kelime: For different industrial applications: Outer rotor and low speed induction machine design
Öz: Today, with the developing new technologies, in addition to the traditional usage areas of asynchronous machines, their usage areas as motors and generators are gradually expanding. In recent years, the use of induction generator in areas such as motor/generator in electric vehicles, wind turbines and micro- hydroelectric generation has started to widespread. This study aims to design a low-speed and high-torque outer rotor induction machine that can be used in outer rotor induction motor applications and optionally as a direct-drive generator. The design, optimization and electromagnetic analysis of a 16-pole, 50 Hz frequency, 375 rpm synchronous speed, 1 kW outer rotor induction machine were carried out and six different models were developed for the analyses in this study. One slot type and 72 slot were used in the stator designs, 59 slot and three different slot types were used in the rotor design. Copper and Aluminum materials were preferred for the squirrel cage rotor and the study was carried out with the Ansys Maxwell electromagnetic package program. In the study, machine foundation sizes, air gap and slot dimensions were optimized to obtain the highest efficiency using the Rmxprt-optimetrics module. Afterwards, electromagnetic analyzes were performed using the Finite Element Method. As a result of the analyzes made for the motor operating area of the machine, an efficiency higher than the efficiency of 8-pole inner rotor asynchronous motors with 1.1 kW power in IE2 and IE3 classes according to IEC 60034-30-1 was obtained. According to this result, it was found that an outer rotor, low speed and high torque induction machine can be produced and used as a motor.
Anahtar Kelime: Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık
- 1. Bortoni, E. C., Bernardes Jr, J. V., da Silva, P. V., Faria, V. A., Vieira, P. A., Evaluation of manufacturers strategies to obtain high-efficient induction motors, Sustainable Energy Technologies and Assessments, 31, 221-227, 2019.
- 2. Kabul A., Ünsal A., Diagnosis of simultaneous broken rotor bars and static eccentricity faults of induction motors by analyzing stator current and vibration signals, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 36 (4), 2011-2023, 2021.
- 3. Lenin N.C., Padmanaban S., Bhaskar M.S., Mitolo M., Hossain E., Ceiling fan drives–past, present and future, IEEE Access, 9, 44888- 44904, 2021.
- 4. Holik P.J., Dorrell D.G., Popescu M., Performance improvement of an external-rotor split-phase induction motor for low-cost drive applications using external rotor can, IEEE Transactions on magnetics, 43 (6), 2549-2551 2007.
- 5. Shastri S., Sharma U., Singh B., Design of Fractional-slot concentrated winding consequent pole motor for ceiling fans, IEEE 5th Int. Conference on Computing Communication and Automation, New Delhi-India, 390-395, 30-31 October, 2020.
- 6. Mohammed K.G., Ramli A.Q., Analyzing the performance of completed designed outer rotor single phase induction motor, IEEE Student Conference on Research and Developement, Putrajaya- Malaysia, 238-242, 16-17 December, 2013.
- 7. Popescu M., Dorrell D.G. and Holik P., Improving the starting torque in external-rotor induction motors using an outer can, 3rd IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives, Dublin- Ireland, 531-535, 4-6 April, 2006.
- 8. György T., Biró K.A., Genetic algorithm based design optimization of a three-phase induction machine with external rotor, 2015 Intl Aegean Conference on Electrical Machines & Power Electronics (ACEMP), 2015 Intl Conference on Optimization of Electrical & Electronic Equipment (OPTIM) & 2015 Intl Symposium on Advanced Electromechanical Motion Systems (ELECTROMOTION), Side- Turkey, 462-467, 2-4 September 2015.
- 9. György T., Biró K.Á., Co-evolutionary optimization design of a three- phase induction machine with external rotor, XXII International Conference on Electrical Machines (ICEM), Lausanne-Switzerland, 1394-1398, 4-7 September, 2016.
- 10. György, T., Biró K.A., Loss analysis of a low power induction machine with external rotor, 6.th International Conference on Modern Power Systems MPS2015, Cluj Napoca-Romania, 117-122, 18-21 May 2015.
- 11. Virlan B., Benelghali S., Simion A., Livadaru L., Outbib R., Munteanu A., Induction motor with outer rotor and ring stator winding for multispeed applications, IEEE Transactions on Energy Conversion, 28 (4), 999-1007, 2013.
- 12. Sundaram V. M., Toliyat H. A., A fractional slot concentrated winding (FSCW) configuration for outer rotor squirrel cage induction motors, IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), Coeur d'Alene- USA, 20-26, 10-13 May, 2015.
- 13. Dalal A., Kumar P., Design, prototyping, and testing of a dual-rotor motor for electric vehicle application, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 65 (9), 7185-7192, 2018.
- 14. Cui S., Han S., Chan C.C., Overview of multi-machine drive systems for electric and hybrid electric vehicles, IEEE Conference and Expo Transportation Electrification Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific), Beijing-China, 1-6, 31 August - 3 September, 2014.
- 15. Wang W., Chen X., Wang J., Motor/generator applications in electrified vehicle chassis—A Survey, IEEE Trans. Transactions on Transportation Electrification, 5 (3), 584-601, 2019.
- 16. Cha A.H.R., Jeong B.T.W., Im C.D.Y., Shin D.K.J., Seo E.Y.J., Design of outer rotor type induction motor having high power density for in- wheel system, 15th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Sapporo-Japan, 1-4, 21-24 October, 2012.
- 17. Popescu M., Riviere N., Volpe G., Villani M., Fabri G., Leonardo L.D., A copper rotor induction motor solution for electrical vehicles traction system, IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, Baltimore MD-USA, 3924-3930, September 29-October 3, 2019.
- 18. Livadaru L., Munteanu A., Simion A., Cantemir C., Design and finite element analysis of high-density torque induction motor for traction applications, 9th International Symposium on Advanced Topics in Electrical Engineering (ATEE), Bucharest-Romania, 211-214, 7-9 May, 2015.
- 19. Munteanu A., Livadaru L., Simion A., Vîrlan B., Single-tooth winding induction motor with external rotor for electric vehicle applications, International Conference and Exposition on Electrical and Power Engineering (EPE), Iasi-Romania, 209-212, October 20-22, 2016.
- 20. Hwang M.H., Lee H.S., Yang S.H., Cha H.R., Park S.J., Electromagnetic field analysis and design of an efficient outer rotor inductor in the low-speed section for driving electric vehicles, Energies, 12 (24), 4615, 2019.
- 21. Matthew H., Jensen B.B., Induction generators for direct-drive wind turbines, IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), Niagara Falls Ontario-Canada, 1125-1130, 14-17 May, 2011.
- 22. Mellah, H., Hemsas K.E., Design and analysis of an external-rotor internal-stator doubly fed induction generator for small wind turbine application by fem, International Journal of Renewable and Sustainable Energy, 2 (1), 1-11, 2013.
- 23. Hamdi, E. S., Design of small electrical machines, John Wiley & Sons, New York, A.B.D., 1994.
- 24. Dorrell D. G., The challenges of meeting IE4 efficiency standards for induction and other machines, IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT), Busan-Korea (South), 213-218, 26 Feb.-1 March, 2014.
- 25. Kimball J. W., Amrhein M., IEEE Machine design considerations for the future energy challenge, Proceedings Electrical Insulation Conference and Electrical Manufacturing Expo, Indianapolis-USA, 448-453, 24-26 October, 2005.
- 26. Popescu M., Analysis and modelling of single-phase induction motor with external rotor for domestic applications, In Conference Record of the 2000 IEEE Industry Applications Conference, Thirty-Fifth IAS Annual Meeting and World Conference on Industrial Applications of Electrical Energy, Rome Italy, 1- 463-470, 8-12 October, 2000.
- 27. Boldea, I., Induction machines handbook, CRC press Taylor & Francis Group, Boca Raton, A.B.D., 2010.
- 28. Demir U., Aküner M.C., Design and optimization of in-wheel asynchronous motor for electric vehicle, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 33 (4), 1517-1530, 2018.
- 29. Purwanto W., Risfendra, Putra D S., Effect of stator slot geometry on high speed spindle motor performance, 2018 International Conference on Information and Communications Technology (ICOIACT), Yogyakarta- Indonesia, 561-565, 6-7 March, 2018.
- 30. Lipo T.A., Introduction to AC machine design, John Wiley & Sons, New Jersey, A.B.D, 2017.
- 31. Gundogdu T., Zhu Z. Q., Mipo J. C., Farah P., Influence of air-gap length on rotor bar current waveform of squirrel-cage induction motor. 19th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS) IEEE, Chiba-Japan,1-6, 13-16 November, 2016.
- 32. Joksimović G., Kajević A., Mezzarobba M., Tessarolo, A., Optimal rotor bars number in four pole cage induction motor with 36 stator slots—part II: results, International Conference on Electrical Machines (ICEM) IEEE, Gothenburg-Sweden, 1, 509-514. 23-26 August, 2020.
- 33. Babypriya B., Gomathi, S., Numerical analysis on impact of choice of number of rotor slots on performance of three phase induction motor, Materials Today: Proceedings (Article in press),1-7, 2020.
- 34. Chapman, S., Electric machinery fundamentals, McGraw-Hill Education, New York, A.B.D, 2005.
- 35. Araz H. K., Yılmaz M., Design procedure and implementation of a high-efficiency PMSM with reduced magnet-mass and torque-ripple for electric vehicles, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 35 (2), 1089-1109, 2020.
| APA | ÇELIK H, ÇETIN N (2023). Farklı endüstriyel uygulamalar için: Dış rotorlu ve düşük devirli asenkron makine tasarımı. , 2009 - 2023. 10.17341/gazimmfd.937127 |
| Chicago | ÇELIK HAKAN,ÇETIN NUMAN SABIT Farklı endüstriyel uygulamalar için: Dış rotorlu ve düşük devirli asenkron makine tasarımı. (2023): 2009 - 2023. 10.17341/gazimmfd.937127 |
| MLA | ÇELIK HAKAN,ÇETIN NUMAN SABIT Farklı endüstriyel uygulamalar için: Dış rotorlu ve düşük devirli asenkron makine tasarımı. , 2023, ss.2009 - 2023. 10.17341/gazimmfd.937127 |
| AMA | ÇELIK H,ÇETIN N Farklı endüstriyel uygulamalar için: Dış rotorlu ve düşük devirli asenkron makine tasarımı. . 2023; 2009 - 2023. 10.17341/gazimmfd.937127 |
| Vancouver | ÇELIK H,ÇETIN N Farklı endüstriyel uygulamalar için: Dış rotorlu ve düşük devirli asenkron makine tasarımı. . 2023; 2009 - 2023. 10.17341/gazimmfd.937127 |
| IEEE | ÇELIK H,ÇETIN N "Farklı endüstriyel uygulamalar için: Dış rotorlu ve düşük devirli asenkron makine tasarımı." , ss.2009 - 2023, 2023. 10.17341/gazimmfd.937127 |
| ISNAD | ÇELIK, HAKAN - ÇETIN, NUMAN SABIT. "Farklı endüstriyel uygulamalar için: Dış rotorlu ve düşük devirli asenkron makine tasarımı". (2023), 2009-2023. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.937127 |
| APA | ÇELIK H, ÇETIN N (2023). Farklı endüstriyel uygulamalar için: Dış rotorlu ve düşük devirli asenkron makine tasarımı. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 38(4), 2009 - 2023. 10.17341/gazimmfd.937127 |
| Chicago | ÇELIK HAKAN,ÇETIN NUMAN SABIT Farklı endüstriyel uygulamalar için: Dış rotorlu ve düşük devirli asenkron makine tasarımı. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 38, no.4 (2023): 2009 - 2023. 10.17341/gazimmfd.937127 |
| MLA | ÇELIK HAKAN,ÇETIN NUMAN SABIT Farklı endüstriyel uygulamalar için: Dış rotorlu ve düşük devirli asenkron makine tasarımı. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, vol.38, no.4, 2023, ss.2009 - 2023. 10.17341/gazimmfd.937127 |
| AMA | ÇELIK H,ÇETIN N Farklı endüstriyel uygulamalar için: Dış rotorlu ve düşük devirli asenkron makine tasarımı. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2023; 38(4): 2009 - 2023. 10.17341/gazimmfd.937127 |
| Vancouver | ÇELIK H,ÇETIN N Farklı endüstriyel uygulamalar için: Dış rotorlu ve düşük devirli asenkron makine tasarımı. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2023; 38(4): 2009 - 2023. 10.17341/gazimmfd.937127 |
| IEEE | ÇELIK H,ÇETIN N "Farklı endüstriyel uygulamalar için: Dış rotorlu ve düşük devirli asenkron makine tasarımı." Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 38, ss.2009 - 2023, 2023. 10.17341/gazimmfd.937127 |
| ISNAD | ÇELIK, HAKAN - ÇETIN, NUMAN SABIT. "Farklı endüstriyel uygulamalar için: Dış rotorlu ve düşük devirli asenkron makine tasarımı". Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 38/4 (2023), 2009-2023. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.937127 |
