Gömülü kalıcı mıknatıslı-fırçasız doğru akım motorda (IPMBLDC) kullanılan farklı güç dereceli NdFeB mıknatısların motor performansına etkisinin incelenmesi

Yıl 2023, Cilt: 38 Sayı: 3, 1389 - 1402, 06.01.2023

Murat Toren Hakkı Mollahasanoğlu

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.988877

Öz

Fırçasız doğru akım motorları (Brushless Direct Current-BLDC) senkron motorlar grubunda sınıflandırılan ve endüstriyel alanlarda avantajlı özellikleri dolayısıyla tercih edilen elektrik motorlarındandır. BLDC motorlarının yapısında bulunan sabit manyetik alan üreten mıknatıslar, motor performansına doğrudan katkı sağlamaktadır. BLDC motorlarda kullanılan ve nadir toprak elementlerinin farklı güç derecelerinde üretilen NdFeB mıknatıslar, mükemmel manyetik özellikleri dolayısıyla tercih edilmektedirler. Kalıcı mıknatıslarda, fiziksel etkenler ve çevresel durumun etkisi olmasına rağmen, performans değerleri, maksimum enerji verimi 〖BH〗_max, artık akı yoğunluğu B_r , ve içsel zorlayıcı kuvvet H_ci parametreleri ile belirlenmektedir. Bu çalışmada, kalıcı mıknatıslı rotor yapısındaki BLDC motorlarda kullanılan Alnico, Seramik, SmCo ve NdFeB mıknatıs türleri ve bu mıknatısların motor performans parametrelerine etkileri analiz edilmektedir. Motor performansı için, hız, verim ve tork değerlerine göre mıknatıs türleri karşılaştırılmaktadır. NdFeB manyetik özellikleri yapılan analiz karşılaştırmalarında belirlenmektedir. Dolayısıyla çalışmaya bu mıknatısların farklı güç derecelerinde (N28-N38-N42-N52) elde edilen tiplerinin de motor performansına etkileri farklı sıcaklıklardaki (20℃ ,60℃ ,80℃ ) çalışma durumları göz önünde bulundurularak eklenmektedir. Çalışmada 2,45 kW gücünde gömülü monteli rotora sahip kalıcı mıknatıslı BLDC motor (IPMBLDC) kullanılarak, bu motor için sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak yapılan analiz ile NdFeB mıknatıs tiplerinin motor ısı transferine etkileri de belirlenmektedir.

Anahtar Kelimeler

Fırçasız DA motoru, sonlu elemanlar metodu, NdFeB Mıknatıslar, 〖BH〗_(max )

Kaynakça

• [1] T. Maani, N. Mathur, S. Singh, C. Rong, and J. W. Sutherland, “Potential for Nd and Dy Recovery from End-of-Life Products to Meet Future Electric Vehicle Demand in the U.S.,” Procedia CIRP, vol. 98, pp. 109–114, Jan. 2021, doi: 10.1016/J.PROCIR.2021.01.014.
• [2] M. Trapanese, G. Cipriani, D. Curto, V. Di Dio, V. Franzitta, and A. Viola, “Minimization of detent force in a 1 kW linear permanent magnet generator for the conversion of sea waves energy: Numerical and experimental validation,” 2015 IEEE Int. Magn. Conf. INTERMAG 2015, Jul. 2015, doi: 10.1109/INTMAG.2015.7157482.
• [3] A. Watarai, K. Fujisaki, S. Odawara, and K. Fujitani, “Magnetic frequency characteristics of permanent magnet for arc-shaped PM motor,” Proc. - 2014 Int. Conf. Electr. Mach. ICEM 2014, pp. 1274–1278, Nov. 2014, doi: 10.1109/ICELMACH.2014.6960346.
• [4] S. Molla and O. Farrok, “Large Magnetic Remanence Property Based a New Material Used in the Linear Generator for Wave Energy Extraction,” 1st Int. Conf. Adv. Sci. Eng. Robot. Technol. 2019, ICASERT 2019, May 2019, doi: 10.1109/ICASERT.2019.8934445.
• [5] H. K. Araz and M. Yılmaz, “Elektrikli araçlar için mıknatıs oranı ve moment titreşimi azaltılmış yüksek verimli sürekli mıknatıslı senkron motor tasarım süreci ve gerçeklenmesi,” Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimar. Fakültesi Derg., vol. 35, no. 2, pp. 1089–1110, Dec. 2019, doi: 10.17341/GAZIMMFD.458515.
• [6] T. Minowa, “Rare Earth Magnets: Conservation of Energy and the Environment,” Resour. Geol., vol. 58, no. 4, pp. 414–422, Dec. 2008, doi: 10.1111/J.1751-3928.2008.00073.X.
• [7] S. Sugimoto, “Current status and recent topics of rare-earth permanent magnets,” J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 44, no. 6, p. 064001, Jan. 2011, doi: 10.1088/0022-3727/44/6/064001.
• [8] O. Gürdal and Y. Öner, “Sabit Mıknatıslı Demir Nüveli Küresel Eyleyicinin Bilgisayar Destekli 3 Boyutlu Statik Manyetik Analizi ve Uygulaması,” Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimar. Fakültesi Derg., vol. 20, no. 4, Apr. 2013, Accessed: Aug. 17, 2021. [Online]. Available: https://dergipark.org.tr/en/pub/gazimmfd/88947.
• [9] L. T. Ergene, A. Polat, and H. Bakhtiarzadeh, “Asansör uygulamalarında kullanılan daimi mıknatıslı senkron motor tasarımı,” Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimar. Fakültesi Derg., vol. 33, no. 2, pp. 757–770, Apr. 2018, doi: 10.17341/GAZIMMFD.416529.
• [10] Y. J. Wong, H. W. Chang, Y. I. Lee, W. C. Chang, C. H. Chiu, and C. C. Mo, “Comparison on the coercivity enhancement of sintered NdFeB magnets by grain boundary diffusion with low-melting (Tb, R)75Cu25 alloys (R= None, Y, La, and Ce),” AIP Adv., vol. 9, no. 12, p. 125238, Dec. 2019, doi: 10.1063/1.5129897.
• [11] M. Karhan* and M. F. Çakir, “ANN (Artificial Neural Network) Controlled Virtual Laboratory Design for NdFeB Magnet Production,” Teh. Vjesn., vol. 28, no. 1, pp. 334–339, Feb. 2021, doi: 10.17559/TV-20180717142007.
• [12] M. Faruk Çakır, İ. Tarımer, and O. Gürdal, “Designing a Virtual laboratory for Simulating to Production of Nanocomposite NdFeB Magnets,” TEM J., vol. 3, no. 1, 2014, Accessed: Aug. 06, 2021. [Online]. Available: www.temjournal.com.
• [13] M. S. Ozdemir, C. Ocak, and A. Dalcali, “Permanent Magnet Wind Generators: Neodymium vs. Ferrite Magnets,” in 3rd International Congress on Human-Computer Interaction, Optimization and Robotic Applications (HORA), Jun. 2021, pp. 1–6, doi: 10.1109/HORA52670.2021.9461291.
• [14] Dalcali Adem, “Küresel Eyleyicinin Rotor Miknatis Malzemesi Ve Stator Sargi Geometrisinin Eyleyici Torkuna Etkisi ,” Mühendislik Bilim. ve Tasarım Derg., vol. 7, no. 1, pp. 145–151, Mar. 2019, doi: 10.21923/JESD.437980.
• [15] M. Ibrahim, L. Masisi, and P. Pillay, “Design of variable flux permanent magnet machines using alnico magnets,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 2015, pp. 4482–4491, 2015, doi: 10.1109/TIA.2015.2461621.
• [16] “Custom Rare Earth Magnets and Magnetic Assemblies | Stanford Magnets.” https://www.stanfordmagnets.com/ (accessed Aug. 06, 2021).
• [17] M. C. Ozgenel, “Control of vector controlled permanent magnet synchronous motor,” Gazı Unıversıty Instıtute Of Scıence And Technology, Ankara, 2003.
• [18] A. İ. Şabciyan, “Özel Mıknatıslayıcı Tasarımı,” Inst. Sci. Technol., 2007, Accessed: Aug. 03, 2021. [Online]. Available: https://polen.itu.edu.tr/handle/11527/1210.
• [19] “K&J Magnetics - Strong Neodymium Magnets, Rare Earth Magnets.” https://www.kjmagnetics.com/ (accessed Aug. 06, 2021).
• [20] J. R. Riba, C. López-Torres, L. Romeral, and A. Garcia, “Rare-earth-free propulsion motors for electric vehicles: A technology review,” Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 57, pp. 367–379, May 2016, doi: 10.1016/J.RSER.2015.12.121.
• [21] A. J. Hornfeck and R. F. Edgar, “The output and optimum design of permanent magnets subjected to demagnetizing forces,” Electr. Eng., vol. 59, no. 12, pp. 1017–1024, Jul. 2013, doi: 10.1109/EE.1940.6435275.
• [22] C. Xia, Permanent magnet brushless DC motor drives and controls. 2012.
• [23] S. Chapman, Chapman, S. (2007). Elektrik makinalarının temelleri. İstanbul: Caglayan, 2007.
• [24] A. S. Çabuk, S. Saglam, and Ö. Üstün, “Farklı sargı yapılarının tekerlek içi fırçasız doğru akım motorlarının verimi üzerindeki etkilerinin incelenmesi,” Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimar. Fakültesi Derg., vol. 34, no. 4, pp. 1975–1986, Jun. 2019, doi: 10.17341/GAZIMMFD.571649.
• [25] A. S. Çağışlar, S. İn, and H. Tiryaki, “Effects of Magnet Type and Thickness on Outer Rotor Brushless Direct Current Motor Designed by Calculating the Required Motor Power for an Electric Vehicle Prototype,” Erzincan Üniversitesi Fen Bilim. Enstitüsü Derg., vol. 13, no. 3, pp. 1025–1041, Dec. 2020, doi: 10.18185/ERZIFBED.707837.
• [26] H. Nory, “Fırçasız Doğru Akım Motorunun Tasarımı ve Denetimi ,” Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, 2018.
• [27] A. S. Çabuk, “Tekerlek içi fırçasız doğru akım motorlarının en iyi tasarımı için yeni bir yaklaşım,” Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2016.
• [28] A. S. Çabuk, “Tekerlekiçi Fırçasız Doğru Akım Motorlarının Sıcaklık Dağılımlarının Toplu Parametreli Devre Modeli Şeması ile İncelenmesi Temperature Distribution Analysis of In-Wheel Brushless Direct Current Motor Based on Lumped Circuit Schemes,” Int. J. Adv. Eng. Pure Sci, vol. 32, no. 2, pp. 128–136, 2020, doi: 10.7240/jeps.537459.