HASSAS POZİSYONLAMA GEREKTİREN UYGULAMALAR İÇİN; YÜKSEK GÜÇ YOĞUNLUKLU, DÜŞÜK ATALET MOMENTLİ SÜREKLİ MIKNATISLI SENKRON MOTOR TASARIMI

Abstract

Sürekli mıknatıslı senkron motorlar (SMSM), yüksek güç yoğunluğu, enerji verimliliği ve hassas kontrol kabiliyeti gibi üstün özellikleri sayesinde modern elektrik tahrik sistemlerinin vazgeçilmez bileşenlerinden biri haline gelmiştir. Özellikle otomasyon sistemleri, elektrikli araçlar, ev tipi beyaz eşya uygulamaları ve robotik sistemlerde, moment-hız karakteristiklerinin geniş bir çalışma aralığında kararlı şekilde sağlanabilmesi ve düşük akustik gürültü seviyeleri sunması nedeniyle yaygın şekilde tercih edilmektedir. Bu motorlar, rotorlarında yer alan sürekli mıknatıslar sayesinde manyetik alan üretiminde ek uyartım akımına gerek duymamakta, bu da sistem genelinde kayıpların azalmasına ve verimliliğin artırılmasına olanak tanımaktadır. Bu çalışmada, 1.5 kW çıkış gücü, 2.4 Nm nominal moment ve 6000 dev/dak nominal hız değerlerine sahip bir SMSM'nin elektromanyetik ve termal açıdan tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarım sürecinde, stator oluk geometrisi, mıknatıs boyutlandırması, hava aralığı optimizasyonu, sargı düzeni ve malzeme seçimi gibi temel tasarım parametreleri dikkate alınmış; motorun moment dalgalanması, verimlilik eğrileri ve sıcaklık dağılımları üzerinde bu parametrelerin etkileri incelenmiştir. Elektromanyetik analizlerde manyetik doyum, akı yoğunluğu dağılımı ve moment karakteristiği detaylı olarak değerlendirilirken; termal analizlerde ise sargı sıcaklık artışları, mıknatısın sıcaklık limitleri ve rotor-stator ısıl davranışları analiz edilmiştir. MotorCAD yazılımı kullanılarak gerçekleştirilen analizler sonucunda elde edilen veriler, hedeflenen performans kriterleri ile karşılaştırılmış ve motor tasarımının endüstriyel kullanım senaryolarına uygunluğu ortaya konmuştur. Ayrıca analiz çıktıları üzerinden, motorun dinamik tepki, termal güvenilirlik ve uzun süreli çalışma koşullarındaki kararlılığına yönelik mühendislik yorumları yapılmış ve olası optimizasyon noktaları belirlenmiştir. Bu sayede, hem elektromanyetik hem de termal performans kriterlerini karşılayan bütüncül bir tasarım yaklaşımı sunulmuştur.

Permanent Magnet Synchronous Motors (PMSMs) have become one of the indispensable components of modern electric drive systems due to their superior characteristics, such as high power density, energy efficiency, and precise controllability. They are widely preferred in automation systems, electric vehicles, household appliances, and robotic applications, primarily because they can provide stable torque-speed characteristics over a broad operating range and exhibit low acoustic noise levels. The use of permanent magnets on the rotor eliminates the need for additional excitation current to generate the magnetic field, thereby reducing overall system losses and enhancing efficiency. In this study, the electromagnetic and thermal design of a PMSM with 1.5 kW output power, 2.4 Nm rated torque, and 6000 rpm rated speed has been carried out. During the design process, fundamental design parameters such as stator slot geometry, magnet sizing, air-gap optimization, winding arrangement, and material selection were considered, and their effects on torque ripple, efficiency curves, and temperature distribution were analyzed. Electromagnetic analyses evaluated magnetic saturation, flux density distribution, and torque characteristics, while thermal analyses focused on winding temperature rise, magnet thermal limits, and the rotor-stator thermal behavior. The analyses were performed using the Motor-CAD software, and the results were compared with the targeted performance specifications to assess the motor's suitability for industrial application scenarios. Additionally, engineering insights were provided regarding the motor's dynamic response, thermal reliability, and operational stability under continuous operating conditions, and potential optimization opportunities were identified. This work thus presents a holistic design approach that simultaneously meets both electromagnetic and thermal performance criteria.