IE4 Verimlilik Sınıfına Ulaşmak İçin Toroidal Sargılı Asenkron Motorun Tasarım Optimizasyonu

Öz

Bu çalışmada IE2 verimlilik sınıfında olan, 1,8 kW gücünde, 3 fazlı sincap kafesli, dağıtılmış tip sargı yapısına sahip bir asenkron motorun, verimlilik sınıfının IE4’e yükseltilmesi ile ilgili bir tasarım optimizasyonu çalışması yapılmıştır. Çalışmada klasik yöntemle sarılmış asenkron motorun sargı yapısı, küçük ve orta güçlü motorlar için daha avantajlı olan toroidal sargı kullanılarak yeniden modellenmiştir. Optimizasyon için, referans alınan asenkron motorun sargı yapısı değiştirilerek, toroidal sargı yapısı kullanılmış ve farklı eksenel uzunluk ve farklı bakır miktarlarını içeren 8 motor modeli tasarlanmıştır. Bu motor modellerinin Ansys Maxwell’de Sonlu Elemanlar Yöntemi (SEY) kullanılarak analizleri yapılmış ve sonuçlar; moment, verim ve manyetik akı yoğunluğu değerleri dikkate alınarak karşılaştırılmalı olarak verilmiştir. Ayrıca verimlilik sınıfının IE4'e yükseltildiği sonuçların elde edildiği motor modeli, daha sonra referans motor ile maliyet ve enerji tüketim değerleri açısından da karşılaştırılmış ve sonuçlar analiz edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Asenkron Motor Tasarımı
• Sonlu Elemanlar Yöntemi
• Verimlilik Sınıfları
• Toroidal Sargı
• Ansys Maxwell

Design Optimization of An Induction Motor with Toroidal Winding to Achieve IE4 Efficiency Class

Abstract

In this study, a design optimization study has been carried out to increase the efficiency class to IE4 of a 1.8 kW, 3-phase squirrel cage induction motor with distributed winding structure in IE2 efficiency class. In the study, the induction motor wound with the conventional distributed winding is remodeled using toroidal winding, which is more advantageous for small and medium power motors. For optimization, 8 motor models with different axial lengths and different copper amounts were designed, using the toroidal winding by changing the winding structure of the reference induction motor. These motor models were analyzed using the Finite Element Method (FEM) in Ansys Maxwell and the results were given comparatively considering the torque, efficiency and magnetic flux density. In addition, the motor model, whose efficiency class was increased to IE4 class, was then compared with the reference motor in terms of cost and energy consumption, and the results were analyzed

Keywords

• Induction Motor Design
• Finite Element Method
• Efficiency Classes
• Toroidal Winding
• Ansys Maxwell

Kaynakça

1. World Energy Efficiency Outlook, Chapter 7, “Will Motors Drive Electricity Savings?”, International Energy Agency (IEA), Paris, Fransa, (2016).
2. T.C. Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı Verimlilik Genel Müdürlüğü, Elektrik Motorlarında Enerji Verimliliği, Ankara, (2015).http://www.iaosb.org.tr/Media/FileDocument/ElektrikMotorlar_brosur.pdf
3. Report on Study on International Efficiency (IE) Efficiency Classes for Low Voltage AC Motors. https://www.emsd.gov.hk/filemanager/en/content_764/Report%20on%20International%20Efficiency%20Efficiency%20Classes%20for%20Low%20Voltage%20AC%20Motors.pdf
4. T.C. Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı, Verimlilik Genel Müdürlüğü, “Elektrik Motorlarinda Enerji Verimliliği”, Ankara, (2015).
5. D.G. Dorrell, “The Challenges of Meeting IE4 Efficiency Standards for Induction and Other Machines,” in Proceedings of the International Conference on Industrial Technology (ICIT '2014), Busan (South Korea), 2014, pp. 213-218.
6. Acar, Ç., Soygenç, O. C., Ergenene, L. T., “Endüstriyel Uygulamalarda Kullanılan Asenkron Motorlarda IE2 Verim Sınıfından IE4 Verim Sınıfına Geçiş Amaçlı Bir Çalışma” Fırat Üniv. Fen Bilimleri Dergisi 30(1),59-65, 2018
7. Ali A. Pourmoosa and Mojtaba Mirsalim, “Design Optimization, Prototyping, and Performance Evaluation of a Low-Speed Linear Induction Motor With Toroidal Winding”, IEEE Transactions On Energy Conversion, Vol. 30, No. 4, December 2015.
8. S. Sashidhar, Silba Mathew and B. G. Fernandes, “Novel Toroidal Winding for Efficiency Improvement of a Line-Start Induction Motor”, Department of Electrical Engineering Indian Institute of Technology Bombay Mumbai, India 400 076.

9. Bogi B. Jensen, Alan G. Jack, “Toroidally Wound Induction Machines”, XIX International Conference on Electrical Machines - ICEM 2010, Rome.
10. Bogi B. Jensen, Alan G. Jack, Glynn J. Atkinson, B arrie C. Mecrow, “Performance of a Folded-Strip Toroidally Wound Induction Machine”, IEEE Transactions On Industrial Electronics, Vol. 59, No. 5, May 2012.
11. Mohan, Man, “A Comparative Study On Performance Of 3 kW Inductıon Motor With Different Shapes Of Stator Slots”, International Journal of Engineering Science and Technology (IJEST)
12. TEİAŞ (Türkiye Elektrik İletim Anonim Şirketi) enerji tüketim tarife bilgileri https://www.tedas.gov.tr/#!tedas_tarifeler
13. Londra Metal Borsası - Metal fiyatları https://www.lme.com/Metals/Non-ferrous/LME-Copper#Trading+day+summary