EKSENEL AKILI JENERATÖRLERİN TASARIMI VE UYGULAMASI. Halil GÖR DOKTORA TEZİ ELEKTRİK EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 EKSENEL AKILI JENERATÖRLERİN TASARIMI VE UYGULAMASI Halil GÖR DOKTORA TEZİ ELEKTRİK EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MART 2014 ANKARA

2

3

4 iv EKSENEL AKILI JENARATÖRLERİN TASARIMI VE UYGULAMASI (Doktora Tezi) Halil GÖR GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Mart 2014 ÖZET Bu tezde; düşük hız uygulamalarında kullanılmak üzere eksenel akılı sürekli mıknatıslı, statoru nüveli ve çift taraflı iki yeni jeneratör tasarımı ve uygulaması çalışılmıştır. Jeneratörler özgün manyetik akı topolojilerine sahip olup birisi üç fazlı diğeri de tek fazlıdır. Jeneratörlerde disk tipi sürekli mıknatıslı ikişer rotor kullanılmış olup, statorlardaki sargıların değişik bağlantı kombinasyonlarında istenen amaca uygun şekilde gerilim elde edilebilmektedir. Jeneratörlerin her ikisinin stator yapıları aynı olup 24 dairesel bobin ve 12 adet lamine nüve içermektedir. Rotorlar ise jeneratörlerin faz sayılarına göre farklı tasarlanmıştır. Üç fazlı jeneratörün her bir rotorunda 16 şar, tek fazlı jeneratörün her bir rotorunda ise 12 şer disk tipi sürekli mıknatıs kullanılmıştır. Jeneratörlerin statorları rotorların arasında sabit olup rotorlar statorun her iki yanında serbestçe dönebilir şekilde tasarlanmıştır. Çalışmada öncelikle sonlu elemanlar metodu yardımıyla jeneratörler tasarlanmış olup manyetostatik ve manyetodinamik analizleri gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucunda optimize edilen jeneratörlerin prototip imalatları yapılarak deneysel uygulamalar gerçekleştirilmiştir. Deneysel ve teorik sonuçlar kıyaslanarak jeneratörlerin anma gücü farklı rotor hızları ve farklı elektriksel yükler için ayrıntılı olarak tespit edilmiştir.

5 v Yapılan analiz ve deneyler sonucunda, tek fazlı jeneratörün anma gücünün 257 W, veriminin ise %90 olduğu, üç fazlı jeneratörün gücünün ise 250 W ve veriminin %92 olduğu sonucuna varılmıştır. Jeneratörlerin güç yoğunluğunun ise 28,5 kw/m 3 olduğu anlaşılmıştır. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : Eksenel akılı jeneratör, çift rotor, sürekli mıknatıs, sonlu elemanlar, vuruntu momenti, anma gücü Sayfa Adedi : 185 Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Erol KURT

6 vi DESIGN AND IMPLEMENTATION OF AXIAL FLUX GENERATORS (Ph. D. Thesis) Halil GÖR GAZİ UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES March 2014 ABSTRACT In this thesis, the design and implementation of two new axial flux permanent magnet generators with cored stator and double sided are studied for the usage in low speed applications. The generators have novel magnetic flux topologies and one of them is a three phase and the other is a single phase generator. Disc type magnets were used in each rotors of the generators and the output voltages, which are desired can be obtained with respect to the combinations of the various connections of the windings. The stator structures of both generators are same with 24 circular coil and 12 laminated cores. Rotors were designed differently in accordance with the phase numbers. In each rotor of the three phase generator and single phase generator, 16 and 12 permanent magnets were used, respectively. The stators of generators are in rest and the rotors were designed to be freely rotated at two sides of the stator. In the study, initially the generators were designed via the finite element method and the magnetostatics and magnetodynamics analyzes were done. At the end of these results, the manufacturings of prototypes of the optimized generators were realized and the experimental implementations were done. By comparing the experimental and theoretical results, the rated values of generators were found for different rotor speeds and the electrical loads in detail.

7 vii As a result of analyzes and experiments, the rated power was found as 257 W with an efficiency value of 90% for the single phase machine and the rated power was found as 250 W with an efficiency value of 92% for the three phase machine. The power density of the generators was found as 28,5 kw/m 3. Science Code : Key Words : Axial flux generator, double rotor, permanent magnet, finite element, cogging torque, rated power Page Number : 185 Supervisor : Prof. Dr. Erol KURT

8 viii TEŞEKKÜR Çalışmalarım esnasında beni yetiştiren, değerli fikirleri ve tecrübeleriyle yönlendiren, sabır ve çalışkanlığıyla bana örnek olan çok kıymetli ve saygıdeğer Danışman Hocam Prof. Dr. Erol KURT a teşekkür ederim. Çalışmalarımda sürekli olarak beni yönlendiren hocalarım Prof. Dr. Hacı Mehmet ŞAHİN ve Doç. Dr. Şevki DEMİRBAŞ a, maddi ve manevi katkılarından dolayı arkadaşım Av. Zeydin KAYA ya şükranlarımı sunarım. Arkadaşlarım Arş. Gör. Emre ÇELİK ve Arş. Gör. Adem DALCALI ya da katkılarından dolayı teşekkür ederim. Fedakarlıklarından dolayı anneme ve babama, doktora çalışmalarım boyunca kendilerine sürekli gurbet hayatı yaşatmama rağmen beni sabırla bekleyen ve destekleyen sevgili eşim ve çocuklarıma sonsuz teşekkür ederim.

9 ix İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT... vi ÇİZELGELERİN LİSTESİ... xiii ŞEKİLLERİN LİSTESİ... xiv RESİMLERİN LİSTESİ... xxiii SİMGELER VE KISALTMALAR... xxvi 1. GİRİŞ EKSENEL AKILI SÜREKLİ MIKNATISLI MAKİNELER Tek Taraflı Makineler Çift Taraflı Makineler Rotoru içte olan çift taraflı makineler Statoru içte ve nüveli olan çift taraflı makineler Statoru içte ve oluklu olan çift taraflı makineler Statoru içte ve nüvesiz olan çift taraflı makineler Çok Statorlu ve Çok Rotorlu Makineler Eksenel Akılı Makinelerin Başlıca Sargı Tipleri Oluklu statorda dağıtılmış üç fazlı sargılar Toroidal sargı Nüvesiz stator sargıları (trapezoidal sargı) Yığılmamış sargılar JENERATÖRLERİN TASARIMI Stator Tasarımı... 24

10 x Sayfa Nüve Tasarımı Bobin Tasarımı Rotor Tasarımı Tek fazlı rotor tasarımı Üç fazlı rotor tasarımı Tek Fazlı ve Üç Fazlı Jeneratörün Çalışma İlkeleri JENERATÖRLERİN FORMÜLASYONU Tek Fazlı Jeneratörün Formülasyonu Üç Fazlı Jeneratörün Formülasyonu Jeneratörlerin Kayıpları ve Verim Hesabı Stator bakır kaybı Nüve (demir) kayıpları Mekanik kayıplar Verim Vuruntu Momenti (Cogging Torque) Harmonik Analiz JENERATÖRLERİN ÜÇ BOYUTLU SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİYLE (SEY) ANALİZİ ÜÇ FAZLI JENERATÖRÜN BENZETİM SONUÇLARI Üç Fazlı Jeneratörün Manyetostatik Analizi ve Benzetim Sonuçları Üç fazlı jeneratörün manyetik akı dağılımı ve benzetim sonuçları Üç fazlı jeneratörün vuruntu momenti (cogging torque) Üç fazlı jeneratörün Manyetodinamik Analizi ve Benzetim Sonuçları... 69

11 xi Sayfa Üç fazlı jeneratörün manyetik akı benzetimi Üç fazlı jeneratörün gerilim benzetimi Üç fazlı jeneratörün akım benzetimi Üç fazlı jeneratörün nüve ve bakır kaybı benzetimi TEK FAZLI JENERATÖRÜN BENZETİM SONUÇLARI Tek Fazlı Jeneratörün Manyetostatik Analizi ve Benzetim Sonuçları Tek fazlı jeneratörün manyetik akı dağılımı ve benzetim sonuçları Tek fazlı jeneratörün vuruntu momenti (cogging torque) Tek Fazlı Jeneratörün Manyetodinamik Analizi ve Benzetim Sonuçları Tek fazlı jeneratörün manyetik akı benzetimi Tek fazlı jeneratörün gerilim benzetimi Tek fazlı jeneratörün akım benzetimi Tek fazlı jeneratörün nüve ve bakır kaybı benzetimi DENEYSEL ÇALIŞMALAR VE SONUÇLARI Üç Fazlı Jeneratörün Deneysel Çalışmaları ve Sonuçları Üç fazlı jeneratörün yüksüz çalışması Üç fazlı jeneratörün yüklü çalışması Üç fazlı jeneratörün harmonik ölçümleri Tek Fazlı Jeneratörün Deneysel Çalışmaları ve Sonuçları Tek fazlı jeneratörün yüksüz çalışması Tek fazlı jeneratörün yüklü çalışması Tek fazlı jeneratörün harmonik ölçümleri BENZETİM VE DENEYSEL SONUÇLARIN KIYASLANMASI

12 xii Sayfa 9.1. Üç Fazlı Jeneratörün Benzetim ve Deney Sonuçlarının Kıyaslanması Tek Fazlı Jeneratörün Benzetim ve Deney Sonuçlarının Kıyaslanması SONUÇ VE ÖNERİLER KAYNAKLAR EKLER EK-1. Kurt, E., Gör, H., Demirtaş, M., Theoretical and experimental analyses of a single phase permanent magnet generator (PMG) with multiple cores having axial and radial directed fluxes, Energy Conversion and Management, 7: (2014) EK-2. Kurt, E., Aslan, S., Gör, H., Demirtaş, M., Electromagnetic analyses of two axial-flux permanent magnet generators (PMGs), Power Engineering, Energy and Electrical Drives (POWERENG), 2013 Fourth International Conference, Istanbul, Turkey (2013) EK-3. Gör, H., Demirtaş M., Kurt, E., A new permanent magnet wind energy generator design with axial and radial directed fluxes, EWRES & ECRES The European Workshop & Conference on Renewable Energy Systems, Antalya, Turkey (2012) EK-4. Gör, H., Kurt, E., Comparıson of coggıng torques ın two dıfferent axıal flux permanent magnet generators, EWRES, The European Workshop & Conference on Renewable Energy Systems, Antalya, Turkey (2013) ÖZGEÇMİŞ

13 xiii ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 3.1. M530-50A nüve malzemesinin özellikleri Çizelge 3.2. Üç fazlı jeneratör tasarımı için bobin kutup kombinasyonları Çizelge 4.1. Harmonik frekansları Çizelge 8.1. Üç fazlı jeneratörün parametreleri Çizelge Üç fazlı jeneratörün yüksüz çalışmasına ait değerler Çizelge Üç fazlı jeneratörün 300 d/dk hızda yüklü çalışmasına ait deney değerleri Çizelge 8.4. Üç fazlı jeneratörün 500 d/dk hızda yüklü çalışmasına ait deney değerleri Çizelge 8.5. Üç fazlı jeneratörün 800 d/dk hızda yüklü çalışmasına ait deney değerleri Çizelge 8.6. Üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk hızda yüklü çalışmasına ait deney değerleri Çizelge 8.7. Üç fazlı jeneratörün anma değerleri Çizelge 8.8. Tek fazlı jeneratörün parametreleri Çizelge 8.9. Tek fazlı jeneratörün yüksüz çalışmasına ait gerilim değerleri Çizelge Üç fazlı jeneratörün 300 d/dk hızda yüklü çalışmasına ait deney değerleri Çizelge Tek fazlı jeneratörün 500 d/dk hızda yüklü çalışmasına ait deney değerleri Çizelge Tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk hızda yüklü çalışmasına ait deney değerleri Çizelge Tek fazlı jeneratörün anma değerleri

14 xiv ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. (a) Radyal akılı makine, (b) eksenel akılı makine... 7 Şekil 2.2. (a) Eksenel akılı makinede akı yolu, (b) radyal akılı makinede akı yolu... 7 Şekil 2.3. Sürekli mıknatıslı jeneratörlerin sınıflandırılması... 8 Şekil 2.4. Eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine topolojisi. (a) tek taraflı oluklu makine, (b) İki rotorlu ve statoru içte, çift taraflı oluksuz makine, (c) rotoru çift taraflı ve içte, iki statorlu oluksuz makine, (d) statoru içte çift taraflı nüvesiz makine Şekil 2.5. Tek taraflı eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine Şekil 2.6. Tek rotorlu ve tek statorlu (oluklu) eksenel akılı jeneratör yapısı Şekil 2.7. Rotoru çift taraflı ve içte, 3 fazlı, 9 bobinli, 8 çıkık kutuplu ve iki statoru dışta eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine Şekil 2.8. Rotoru içte ve iki statoru dışta olan eksenel akılı jeneratör yapısı Şekil 2.9. Çift taraflı, statoru içte ve oluksuz, üç fazlı eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine yapısı Şekil Statoru çift taraflı oluklu ve içte olan eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine Şekil Statoru içte ve iki rotorlu olan eksenel akılı jeneratör yapısı Şekil Nüvesiz eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine Şekil Nüvesiz, çok diskli (üç stator dört rotor) eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine Şekil Çok statorlu ve çok rotorlu eksenel akılı jeneratör yapısı Şekil Oluklu ve oluksuz stator yapısı için sargı örnekleri Şekil Üç fazlı 6 kutuplu 36 oluklu tek katlı dağıtılmış sargı örneği Şekil Oluklu statorlu troidal sargılı makine örneği Şekil Sargısı toroidal tipte olan 3 fazlı, 6 kutuplu, 18 bobinli, iki rotoru dışta eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine... 19

15 xv Şekil Sayfa Şekil Oluksuz statorlu troidal sargılı makine örneği Şekil İki rotoru dışta, 3 fazlı, 8 kutuplu, nüvesiz eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine için trapezoidal sargı örneği Şekil Çift taraflı, statoru içte ve çıkık kutuplu, iki rotorlu eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine. (a) makine yapısı; (b) stator; (c) rotor Şekil Üç fazlı, 9 bobinli makinenin sargı bağlantı şeması Şekil 3.1. Tek fazlı jeneratörün benzetim programındaki genel görünümü Şekil 3.2. Statorun benzetim programındaki genel görünümü Şekil 3.3. Nüve malzemesine ait B-H eğrisi Şekil 3.4. Bir nüvenin benzetim programındaki görünümü Şekil 3.5. Nüvelerin, nüve katmanında bir araya getirilmesinin benzetim programındaki görünümü Şekil 3.6. Nüve katmanının benzetim programındaki görüntüsü Şekil 3.7. Bobin ve nüvenin benzetim programındaki görünümü Şekil 3.8. Stator katmanının benzetim programındaki görünümü Şekil 3.9. Statorun büyük çaplı yüzeyinin benzetim programındaki görünümü Şekil Statorun küçük çaplı yüzeyinin benzetim programındaki görüntüsü Şekil Rotor-1 in benzetim programındaki görünümü Şekil Rotor-2 nin benzetim programındaki görünümü Şekil Jeneratörün mıknatıs dizilimi ve manyetik akı yolu Şekil Rotor-1 in benzetim programındaki görünümü Şekil Rotor-2 nin benzetim programındaki görünümü Şekil Tek fazlı ve üç fazlı jeneratörün yapı detayları Şekil Tek fazlı jeneratör için bobin bağlantısı... 43

16 xvi Şekil Sayfa Şekil Üç fazlı jeneratör için bobin bağlantısı Şekil Üç fazlı jeneratörde bobinlerin fazlara göre dağılımı Şekil 4.1. Nüve ve bobin modeli için kesit görüntü Şekil 4.2. (a) Tek fazlı jeneratör için örnek model, (b) eşdeğer manyetik devre modeli Şekil 4.3. (a) Üç fazlı jeneratör için örnek model, (b) eşdeğer manyetik devre modeli Şekil 4.4. Üç fazlı jeneratörün eş değer devre modeli Şekil 4.5. Üç fazlı jeneratörün tek fazı için eş değer devre modeli Şekil 4.6. Vuruntu momentin oluşumu Şekil 4.7. Vuruntu momenti azaltma teknikleri Şekil 4.8. Temel bileşen ve harmonik sinyali Şekil 5.1. Tedrahedral yapıda üç boyutlu sonlu element Şekil 5.2. Program akış algoritması Şekil 5.3. Simülsayon programı tarafından 3 fazlı jeneratörün bütünü için oluşturulan örnek ağların (mesh) benzetim programındaki yapısı Şekil 5.4. Benzetim programı tarafından bobin, nüve ve mıknatıslar için oluşturulan ağlar (mesh) Şekil 6.1. Üç fazlı jeneratörde oluşan manyetik akı yoğunluğu Şekil 6.2. Üç fazlı jeneratörün nüvelerinde oluşan manyetik akı yoğunluğu Şekil 6.3. İki ayrı nüvenin merkezinde oluşan manyetik akı yoğunluğu Şekil 6.4. Rotor-1 ve stator arasında kalan hava aralığındaki manyetik akı yoğunluğu Şekil 6.5.Rotor-2 ve Stator arasında kalan hava aralığındaki manyetik akı yoğunluğu Şekil 6.6. Üç fazlı jeneratörün vuruntu moment grafiği... 68

17 xvii Şekil Sayfa Şekil 6.7. Üç fazlı jeneratörün manyetik akı grafiği (rotor hızı=300 d/dk) Şekil 6.8. Üç fazlı jeneratörün manyetik akı grafiği (rotor hızı=1000 d/dk) Şekil 6.9. Üç fazlı jeneratörün yüksüz durum çıkış gerilimi (rotor hızı=300 d/dk) Şekil Üç fazlı jeneratörün yüksüz durum çıkış gerilimi (rotor hızı=500 d/dk) 71 Şekil Üç fazlı jeneratörün yüksüz durum çıkış gerilimi (rotor hızı=1000 d/dk) Şekil Üç fazlı jeneratörün yüksüz durum çıkış geriliminin rotor hızına göre değişimi Şekil Üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızı ve 40 ohm omik yük için yük gerilimi değişimi Şekil Üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızı ve 10 ohm omik yük için yük gerilimi değişimi Şekil Üç fazlı jeneratörün geriliminin rotor hızı ve yüke göre değişimi Şekil Üç fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızı ve 40 ohm yüke göre akım değişimi Şekil Üç fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızı ve 10 ohm yüke göre akım değişimi Şekil Üç fazlı jeneratörün faz akımının rotor hızı ve yüke göre değişimi Şekil Üç fazlı jeneratörün yüksüz durumu için nüve kaybı (rotor hızı 300 d/dk) Şekil Üç fazlı jeneratörün yüksüz durumu için bakır kaybı (rotor hızı 300 d/dk) Şekil Üç fazlı jeneratörün yüksüz durumu için nüve kaybı (rotor hızı 1000 d/dk) Şekil Üç fazlı jeneratörün yüksüz durumu için bakır kaybı (rotor hızı 1000d/dk) Şekil Üç fazlı jeneratörün değişik rotor hızlarında yüksüz durumu için nüve ve bakır kaybı... 78

18 xviii Şekil Sayfa Şekil Üç fazlı jeneratörün 10 ohm yüklü durumu için nüve kaybı (rotor hızı 300 d/dk) Şekil Üç fazlı jeneratörün 10 ohm yüklü durumu için bakır kaybı (rotor hızı 300 d/dk) Şekil Üç fazlı jeneratörün 10 ohm yüklü durumu için nüve kaybı (rotor hızı 1000 d/dk) Şekil Üç fazlı jeneratörün 10 ohm yüklü durumu için bakır kaybı (rotor hızı 1000 d/dk) Şekil Üç fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızında değişik yük değerleri için nüve ve bakır kaybı Şekil Üç fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızında değişik yük değerleri için nüve ve bakır kaybı Şekil Üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızında değişik yük değerleri için nüve ve bakır kaybı Şekil Üç fazlı jeneratörün nüve kaybının rotor hızı ve yüke göre değişimi Şekil Üç fazlı jeneratörün bakır kaybının rotor hızı ve yüke göre değişimi Şekil Üç fazlı jeneratörün toplam nüve ve bakır kaybının rotor hızı ve yüke göre değişimi Şekil 7.1. Tek fazlı jeneratörün manyetik akı dağılımı Şekil 7.2. Bir nüve ve mıknatıs çifti için manyetik akının dağılımı Şekil 7.3. Rotor-1 ve stator arasında kalan hava aralığındaki manyetik akı yoğunluğu Şekil 7.4. Rotor-2 ve Stator arasında kalan hava aralığındaki manyetik akı yoğunluğu Şekil 7.5. Nüvelerin merkezlerinde oluşan manyetik akı yoğunluğu Şekil 7.6. Tek fazlı jeneratörün vuruntu moment grafiği Şekil 7.7. Tek fazlı jeneratörün manyetik akı grafiği (rotor hızı=300 d/dk) Şekil 7.8. Tek fazlı jeneratörün manyetik akı grafiği (rotor hızı=1000 d/dk)... 89

19 xix Şekil Sayfa Şekil 7.9. Tek fazlı jeneratörün yüksüz durum çıkış gerilimi (rotor hızı=300 d/dk) Şekil Tek fazlı jeneratörün yüksüz durum çıkış gerilimi (rotor hızı=500 d/dk) Şekil Tek fazlı jeneratörün yüksüz durum çıkış gerilimi (rotor hızı=1000 d/dk) Şekil Tek fazlı jeneratörün yüksüz durum çıkış geriliminin rotor hızına göre değişimi Şekil Tek fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızı ve 10 ohm omik yük için yük gerilimi değişimi Şekil Tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızı ve 10 ohm omik yük için yük gerilimi değişimi Şekil Tek fazlı jeneratör geriliminin rotor hızı ve yüke göre değişimi Şekil Tek fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızı ve 5 ohm yüke göre akım değişimi Şekil Tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızı ve 5 ohm yüke göre akım değişimi Şekil Tek fazlı jeneratörün faz akımının rotor hızı ve yüke göre değişimi Şekil 7.19.Tek fazlı jeneratörün yüksüz durumu için nüve kaybı (rotor hızı 300 d/dk) Şekil Tek fazlı jeneratörün yüksüz durumu için bakır kaybı (rotor hızı 300 d/dk) Şekil Tek fazlı jeneratörün yüksüz durumu için nüve kaybı (rotor hızı 1000 d/dk) Şekil Tek fazlı jeneratörün yüksüz durumu için bakır kaybı (rotor hızı 1000 d/dk) Şekil Tek fazlı jeneratörün değişik rotor hızlarında yüksüz durumu için nüve ve bakır kaybı Şekil Tek fazlı jeneratörün 5 ohm yüklü durumu için nüve kaybı (rotor hızı 300 d/dk)... 97

20 xx Şekil Sayfa Şekil Tek fazlı jeneratörün 5 ohm yüklü durumu için bakır kaybı (rotor hızı 300 d/dk) Şekil Tek fazlı jeneratörün 5 ohm yüklü durumu için nüve kaybı (rotor hızı 1000 d/dk) Şekil Tek fazlı jeneratörün 5 ohm yüklü durumu için bakır kaybı (rotor hızı 1000 d/dk) Şekil Tek fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızı ve değişik yük değerleri için nüve ve bakır kaybı Şekil Tek fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızı ve değişik yük değerleri için nüve ve bakır kaybı Şekil Tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızı ve değişik yük değerleri için nüve ve bakır kaybı Şekil Tek fazlı jeneratörün nüve kaybının rotor hızı ve yüke göre değişimi Şekil Tek fazlı jeneratörün bakır kaybının rotor hızı ve yüke göre değişimi Şekil Tek fazlı jeneratörün değişik rotor hızları ve değişik yük değerleri için toplam nüve ve bakır kaybı Şekil 8.1. Jeneratör deney düzeneği Şekil 8.2. Üç fazlı jeneratörün deney bağlantı şeması Şekil 8.3. Üç fazlı jeneratörün yüksüz durumu için gerilim hız grafiği Şekil 8.4. Üç fazlı jeneratörün değişik yük ve rotor hızlarındaki yük-gerilimi grafiği Şekil 8.5. Üç fazlı jeneratörün değişik yük ve rotor hızlarındaki yük akımı grafiği Şekil 8.6. Üç fazlı jeneratörün değişik yük değerleri ve rotor hızları için çıkış gücü grafiği Şekil 8.7. Üç fazlı jeneratörün yük akımına göre çıkış gücünün ve faz geriliminin değişimi (rotor hızı 300d/dk) Şekil 8.8. Üç fazlı jeneratörün yük akımına göre çıkış gücünün ve faz geriliminin değişimi (rotor hızı 500d/dk)

21 xxi Şekil Sayfa Şekil 8.9. Üç fazlı jeneratörün yük akımına göre çıkış gücünün ve faz geriliminin değişimi (rotor hızı 1000d/dk) Şekil Üç fazlı jeneratörün değişik yük ve rotor hızlarındaki verim grafiği Şekil Üç fazlı jeneratörün değişik yük ve rotor hızlarındaki verim grafiği Şekil Üç fazlı jeneratörün yüklü ve yüksüz durumu için hıza bağlı THD değerleri Şekil Tek fazlı jeneratörün deney bağlantı şeması Şekil Tek fazlı jeneratörün yüksüz durumu için gerilim hız grafiği Şekil Tek fazlı jeneratörün 300 d/dk hızı için çeşitli yük değerlerine göre akım gerilim güç grafiği Şekil Tek fazlı jeneratörün 500 d/dk hızı için çeşitli yük değerlerine göre akım gerilim güç grafiği Şekil Tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk hızı için çeşitli yük değerlerine göre akım gerilim güç grafiği Şekil Tek fazlı jeneratörün değişik yük ve rotor hızlarındaki yük-gerilimi grafiği Şekil Tek fazlı jeneratörün değişik yük ve rotor hızlarındaki yük akımı grafiği Şekil Tek fazlı jeneratörün değişik yük değerleri ve rotor hızları için çıkış gücü grafiği Şekil Tek fazlı jeneratörün değişik yük ve rotor hızlarındaki verim grafiği Şekil Tek fazlı jeneratörün değişik yük ve rotor hızlarındaki verim grafiği Şekil Tek fazlı jeneratörün yüklü ve yüksüz durumu için hıza bağlı THD değerleri Şekil 9.1. Üç fazlı jeneratörün yüksüz ve yüklü durumu için çıkış geriliminin benzetim ve deney sonuçlarının kıyaslanması (a) yüksüz, (b) rotor hızı 300 d/dk, (c) rotor hızı 500 d/dk, (d) rotor hızı 1000 d/dk

22 xxii Şekil Sayfa Şekil 9.2. Üç fazlı jeneratörün rotor hızı ve yük durumuna göre akımın benzetim ve deney sonuçlarının kıyaslanması (a) rotor hızı 300 d/dk, (b) rotor 500 d/dk, (c) rotor hızı 1000 d/dk Şekil 9.3. Üç fazlı jeneratörün rotor hızı ve yük durumuna göre çıkış gücünün benzetim ve deney sonuçlarının kıyaslanması (a) rotor hızı 300 d/dk, (b) rotor 500 d/dk, (c) rotor hızı 1000 d/dk Şekil 9.4. Tek fazlı jeneratörün yüksüz ve yüklü durumu için çıkış geriliminin benzetim ve deney sonuçlarının kıyaslanması (a) yüksüz, (b) rotor hızı 300 d/dk, (c) rotor hızı 500 d/dk, (d) rotor hızı 1000 d/dk Şekil Tek fazlı jeneratörün rotor hızı ve yük durumuna göre akımın benzetim ve deney sonuçlarının kıyaslanması (a) rotor hızı 300 d/dk, (b) rotor 500 d/dk, (c) rotor hızı 1000 d/dk Şekil 9.6. Tek fazlı jeneratörün rotor hızı ve yük durumuna göre çıkış gücünün benzetim ve deney sonuçlarının kıyaslanması (a) rotor hızı 300 d/dk, (b) rotor 500 d/dk, (c) rotor hızı 1000 d/dk

23 xxiii RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 3.1. Üç fazlı jeneratörün prorotipi Resim 3.2. Tek fazlı jeneratörün prototipi Resim 3.3. Statorun prototipi Resim 3.4. Bir nüvenin prototip imalatındaki görünümü Resim 3.5. Nüvelerin, nüve katmanına montajının prototip imalatındaki görüntüsü 29 Resim 3.6. Nüve katmanının prototip imalatındaki görüntüsü Resim 3.7. Bobin ve nüvenin prototip görüntüsü Resim 3.8. Stator katmanının prototip görüntüsü Resim 3.9. Statorun büyük çaplı yüzeyinin prototip görünüsü Resim Statorun küçük çaplı yüzeyinin prototip görüntüsü Resim Rotor-1 in prototip görüntüsü Resim Rotor-2 nin prototip görüntüsü Resim Jeneratörde kullanılan örnek bir mıknatısın görünüşü ve ölçüleri Resim Rotor-1 in prototip görüntüsü Resim Rotor-2 nin prototip görüntüsü Resim 8.1. Jeneratörün tahrik makinesine bağlantısı Resim 8.2. Üç fazlı jeneratörün yüksüz durumdaki çıkış gerilimi (rotor hızı 400 d/dk) Resim 8.3. Üç fazlı jeneratörün yüksüz durumdaki çıkış gerilimi (rotor hızı 600 d/dk) Resim 8.4. Üç fazlı jeneratörün yüksüz durumdaki çıkış gerilimi (rotor hızı 1000d/dk)

24 xxiv Şekil Sayfa Resim 8.5. Üç fazlı jeneratörün yüksüz çalışmasına ait çıkış gerilimlerinin osiloskop görüntüleri rotor hızı (a) 100 d/dk, (b) 200 d/dk, (c) 300 d/dk, (d) 400 d/dk, (e) 500 d/dk, (f) 600d/dk Resim 8.6. Üç fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızında yüklü çalışmasına ait çıkış gerilimlerinin osiloskop görüntüleri, yük değeri: (a) 5 ohm, (b) 10 ohm, (c) 20 ohm, (d) 30 ohm, (e) 40 ohm, (f) 50 ohm, (g) 60 ohm, (h) 70 ohm 110 Resim 8.7. Üç fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızında yüklü çalışmasına ait çıkış gerilimlerinin osiloskop görüntüleri, yük değeri: (a) 10 ohm, (b) 20 ohm, (c) 30 ohm, (d) 40 ohm, (e) 50 ohm, (f) 60 ohm Resim 8.8. Üç fazlı jeneratörün 800 d/dk rotor hızında yüklü çalışmasına ait çıkış gerilimlerinin osiloskop görüntüleri, yük değeri: (a) 10 ohm, (b) 20 ohm, (c) 30 ohm, (d) 40 ohm, (e) 50 ohm, (f) 60 ohm Resim 8.9. Üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızında yüklü çalışmasına ait çıkış gerilimlerinin osiloskop görüntüleri, yük değeri: (a) 10 ohm, (b) 20 ohm, (c) 30 ohm, (d) 40 ohm, (e) 50 ohm, (f) 60 ohm Resim Üç fazlı jeneratörün yüksüz olarak değişik rotor hızında çalıştırılmasına ait gerilim sinyallerinin harmonik ölçümleri, rotor hızı: (a) 300 d/dk, (b) 500 d/dk, (c) 700 d/dk, (d) 1000 d/dk Resim Üç fazlı jeneratörün 200 d/dk rotor hızı ve değişik yük değerlerinde çalıştırılmasına ait gerilim sinyallerinin harmonik ölçümleri, yük değeri: (a) 5 ohm, (b) 10 ohm, (c) 20 ohm, (d) 30 ohm Resim Üç fazlı jeneratörün 600 d/dk rotor hızı ve değişik yük değerlerinde çalıştırılmasına ait gerilim sinyallerinin harmonik ölçümleri, yük değeri: (a) 5 ohm, (b) 10 ohm, (c) 20 ohm, (d) 30 ohm Resim Üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızı ve değişik yükdeğerlerinde çalıştırılmasına ait gerilim sinyallerinin harmonik ölçümleri, yük değeri: (a) 5 ohm, (b) 10 ohm, (c) 20 ohm, (d) 30 ohm Resim Tek fazlı jeneratörün yüksüz çalışmasına ait çıkış geriliminin osiloskop görüntüleri rotor hızı (a) 300 d/dk, (b) 500 d/dk, (c) 800 d/dk, (d) 1000d/dk Resim Tek fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızında yüklü çalışmasına ait çıkış gerilimlerinin osiloskop görüntüleri, yük değeri: (a) 1 ohm, (b) 5 ohm, (c) 10 ohm, (d) 20 ohm

25 xxv Şekil Sayfa Resim Tek fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızında yüklü çalışmasına ait çıkış gerilimlerinin osiloskop görüntüleri, yük değeri: (a) 1 ohm, (b) 5 ohm, (c) 10 ohm, (d) 20 ohm Resim Tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızında yüklü çalışmasına ait çıkış gerilimlerinin osiloskop görüntüleri, yük değeri: (a) 5 ohm, (b) 20 ohm Resim Tek fazlı jeneratörün yüksüz olarak değişik rotor hızında çalıştırılmasına ait gerilim sinyallerinin harmonik ölçümleri, rotor hızı: (a) 300 d/dk, (b) 500 d/dk, (c) 800 d/dk, (d) 1000 d/dk Resim Tek fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızı ve değişik yükdeğerlerinde çalıştırılmasına ait gerilim sinyallerinin harmonik ölçümleri, yük değeri: (a) 5 ohm, (b) 20 ohm Resim Tek fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızı ve değişik yükdeğerlerinde çalıştırılmasına ait gerilim sinyallerinin harmonik ölçümleri, yük değeri: (a) 5 ohm, (b) 20 ohm Resim Tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızı ve değişik yükdeğerlerinde çalıştırılmasına ait gerilim sinyallerinin harmonik ölçümleri, yük değeri: (a) 5 ohm, (b) 20 ohm

26 xxvi SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama I f i L BX, L SX : m Nüve kesit alanı (mm 2 ) Nüve akı yoğunluğu (T) Mıknatısın akı yoğunluğu (T) Manyetik akı yoğunluğu tepe değeri (T) Mıknatısın kalıcı akı yoğunluğu (T) Bir bobinde indüklenen gerilim (V) Mıknatısın manyeto motor kuvveti (Amper-tur) Kg olarak rotorun kütlesi Nüvenin manyetik alan şiddeti (A/m) Hava aralığındaki manyetik alan şiddeti (A/m) Mıknatısın manyetik alan şiddeti (A/m) Faz akımının etkin değeri (A) Faz akımının anlık değeri (A) Anormal kayıp katsayısı 1 den 3 e kadar değişen bir faktör Histerisiz katsayısı Girdap (eddy) katsayısı Bobin indüktansları (H) Nüve boyu (mm) Hava aralığı (mm) Mıknatısın kalınlığı (mm) Faz sayısı Bobinin sarım sayısı Güç (W) Anormal kayıplar (W)

27 xxvii Simgeler Açıklama R A, R B, R C R f R LA, R LB, R LC r in r o r out Girdap (eddy) kaybı (W) Nüve demir kaybı (W) Histerisiz kaybı (W) Fazların iç direnci (ohm) Stator faz direnci (ohm) Fazların yük direnci Nüve relüktansı (At/Wb) Hava aralığı relüktansı (At/Wb) Mıknatıs relüktansı (At/Wb) Toplam relüktans (At/Wb) Rotorun iç yarıçapı (mm) Nüvenin yarıçapı (mm) Rotor diskinin dış yarıçapı (mm) Zaman (s) Faz geriliminin anlık değeri (V) Faz geriliminin etkin değeri (V) Katmanlı nüvenin kütlesi (kg) Rotorun açısal hızı (rad/s) Birim vektör Havanın geçirgenliği (H/m) Nüvenin geçirgenliği (H/m) Mıknatısın geçirgenliği (H/m) Kısaltmalar IEEE SEY THD Açıklama Elektrik ve Elektronik Mühendisleri Enstitüsü Sonlu Elemanlar Yöntemi Toplam Harmonik Bozulma

28 1 1. GİRİŞ Günümüzde, endüstrinin en temel enerji tüketimi elektrik enerjisidir. Bu enerjinin temin edilmesinde büyük oranda fosil yakıtlar kullanılmaktadır. Son yüzyılda, ülkemizde artan enerji ihtiyacına karşın, fosil yakıtlar, söz konusu enerji gereksinimini yüksek maliyetlerle ithal edilerek karşılayabilmektedir. Ülkemizin, enerjide önemli derecede dışa bağımlı olması ulusal güvenliğimiz ve ekonomik bağımsızlığımız bakımından önemli bir sorundur. Ülkemizin enerji bağımsızlığının sağlanması için yeni ve verimli enerji araçlarının tasarımı ve üretiminin gerçekleştirilmesi elzemdir. Temiz ve verimli diğer yenilenebilir enerji kaynaklarına duyulan gereksinim, hidroelektrik santrallerin çevreyi tahrip etmesi ve doğal hayatı bozmasından dolayı günümüzde daha da artmıştır. Ülkemizin rüzgar potansiyeli düşünüldüğünde, rüzgar enerjisinden elektrik enerjisi temini, önemli ama yegane olmayan bir çözümdür. Rüzgar hızının, yurdumuzda genel bazda düşük seyretmesi, rüzgar enerjisinde kullanılacak farklı ve etkin jeneratörlerin tasarlanmasını zorunlu kılmaktadır. Günümüzde; nadir toprak elementlerini kullanarak daha verimli süreçlerle sürekli mıknatıs üretilebilmesi, sürekli mıknatıslı jeneratörlere geçişi hızlandırmaktadır li yıllarda neodyum (NdFeB) mıknatısların ortaya çıkmasıyla sürekli mıknatıslı makine teknolojisi büyük bir ivme kazanmıştır [1]. Bunda temel olarak sürekli mıknatıslı jeneratörlerin daha yüksek enerji yoğunluğuna, asgari vuruntu torkuna (cogging torque), düşük maliyete ve yüksek moment değerlerine sahip olması ana sebeptir [2-6,7]. Diğer bir sebep de, faz gerilimlerinin çıkışta doğrudan sinüsoidal gerilime yakın olarak elde edilebilmesidir [8]. Özellikle, sürekli mıknatıs teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, sürekli mıknatıslı senkron jeneratörlerin gelecekleri oldukça parlak gözükmektedir [9]. Sürekli mıknatıslı senkron jeneratörler, kullanımda oldukça yaygın olan kafesli asenkron jeneratörler veya akımla uyartılan senkron jeneratörlerle kıyaslandıklarında, sürekli mıknatıslı senkron jeneratörlerin yüksek verimlilik, kararlılık ve güvenirlilik için büyük avantajlara sahip oldukları görülür [1,9].

29 2 Doğrudan tahrikli rüzgar sistemlerinde kule yapısının gereksinimlerini en aza indirmek için, kullanılan jeneratör hafif ve etkili olmalıdır. Bu sebeple sürekli mıknatıslı jeneratörler küçük rüzgar türbinler için yüksek verimleri, yüksek güç yoğunlukları ve sağlam rotor yapıları sebebiyle ilgi çekici hale gelmiştir. Bu ilgi sürekli mıknatıs özelliklerinin gelişmesi ve fiyatlarının azalmasıyla daha da artmaktadır [10-18]. Literatürde çok sayıda sürekli mıknatıslı jeneratör çeşidi mevcuttur. Sürekli mıknatıslı jeneratörler genel olarak; eksenel akılı ve radyal akılı jeneratörler olmak üzere iki grupta sınıflandırılabilir. Manyetik akının yarıçap yönünde geçirilmesi suretiyle elde edilen jeneratörler, radyal akılı jeneratörler olarak isimlendirilirken; yarıçap yönüne dik bulunan eksen boyunca akı geçişi sağlananlara da eksenel akılı jeneratörler denir. Eksenel akı yapısı kullanan elektrik jeneratörlerinin geliştirilmesine yaklaşık 150 yıl önce başlanmıştır [19-22]. Eksenel akılı makine radyal akılı makineye kıyasla daha büyük bir güç-kütle oranına, daha esnek bir sargı tasarımına ve daha iyi bir soğutma avantajına sahiptir [11]. Eksenel akılı sürekli mıknatıslı makineler ve jeneratörler orta hız çalışmalarına uygundur [23,24]. Eksenel akılı sürekli mıknatıslı makineler, makine araçlarında, robotik ve konuma bağlı moment kontrolünde, elektrikli araçlar, trenler, römorklar, paletli ya da tekerlekli araçlar gibi dar alanlarda ve farklı mobil uygulamalarda son derece kompakt ve hafif bir güç kaynağı olarak kullanılabilir [13,24-39]. Eksenel akılı sürekli mıknatıslı jeneratörler küçük ebatlarda ve çok kutuplu olarak imal edilebildikleri için düşük rüzgar hızı uygulamaları ve bu uygulamalarda dişli sistemlerinin kullanımını engellemek için tercih edilirler. [1,40-44]. Eksenel akılı sürekli mıknatıslı makineler düşük ve orta seviyedeki rüzgar hızı uygulamalarında, yüksek moment değeri elde etmek için kullanılabilirler [45]. Küçük rüzgar türbinleri için sürekli mıknatıslı jeneratörler çok yaygın olarak kullanılır. Çok

30 3 kutuplu bir alternatif akım jeneratörü genellikle Hz arasında çalıştırılır [13,46]. Bu jeneratörler rüzgar türbini tarafından doğrudan tahrik edilir ve alternatif akım üretirler [13,46,47]. Yüksek hızlı eksenel akılı sürekli mıknatıslı jeneratörlere olan ilgi, özellikle yüksek güç yoğunlukları ve küçük boyutta yapılabilmeleri gibi bazı özelliklerinden dolayı artmıştır [48,49]. Her ne kadar jeneratör hızıyla güç yoğunluğu bir jeneratör için değişkenlik gösterse de 6,36 kw/m 3, 705 kw/m 3 gibi güç yoğunluklarına eksenel akılı makinelerde rastlamak mümkündür [50]. Ancak; yüksek hızlı eksenel akılı sürekli mıknatıslı jeneratör tasarımında dikkat edilmesi gereken unsurlardan birinin, rotorun yüksek hıza karşı dayanıklı olmasının ve bozulmamasının sağlanması olduğu; stator tasarımında ki temel problemin ise stator akısı ve stator akımının yüksek frekansı olduğu bildirilmiştir [27]. Bu sebeplerden yüksek hızlı jeneratör tasarımı düşük hızlı jeneratör tasarımından çok daha zordur. Eksenel akılı jeneratörler radyal akılı jeneratörlere kıyasla daha düşük vuruntu momentine, yüksek güç yoğunluğuna, yüksek verime, bakım kolaylığına, düşük hacme ve düşük maliyete sahiptir [13,40,43,45,48,51-72]. Ancak bu jeneratörlerin daha verimli hale getirilebilmesi için hem vuruntu momentinin asgariye düşürülmesi hem de üretilecek elektrik enerjisi gücünün artırılması hedeflenmektedir. Bu anlamda, yüksek manyetik alan yoğunluklu sürekli mıknatısların düşük maliyetle üretilebilmesi, son zamanlarda sürekli mıknatıslı jeneratörler üzerine yapılan araştırmaları ilgi odağı haline getirmiştir [46,73,74]. İlaveten eksenel akılı jeneratörler, radyal akılı jeneratörlerin aksine rüzgar türbini uygulamalarında montajda kolaylık sağlayarak tahrik sistemine doğrudan eklenebilmektedir. Sürekli mıknatıslı jeneratörlerin en önemli sorunu ısınmadır. Zira jeneratörlerin hızlı dönmesi sonucunda mıknatıslarda ve nüvede ısınma meydana gelmektedir [24]. Eksenel akılı makinelerin avantajları bulunmasına rağmen, bu makinelerde çalışma süreleri boyunca ve yüksek vuruntu momenti dalgalanmaları sırasında yüksek sıcaklıklar meydana gelebilir [23,24,25,71].

31 4 Li ve arkadaşları [64] eksenel akılı sürekli mıknatıslı jeneratörlerdeki yüksek güç yoğunluğunun ısınma problemine sebep olduğunu bildirmiştir. Eğer rotor ve stator arasında uygun şekilde bir hava aralığı oluşturulursa vuruntu momenti dalgalanması, akustik gürültü ve titreşim azaltılabilir [4,75]. Vuruntu moment dalgalanmalarını azaltmak için, bir dizi yöntem kullanılır. Bu yöntemlerin çoğu eksenel akılı sürekli mıknatıslı makinelere de uygulanabilir [74]. Vuruntu momenti, sürekli mıknatıslı makine tasarımında önemli bir unsurdur. Dairesel mıknatıslar, eksenel akılı sürekli mıknatıslı makinelerde vuruntu momentini düşürmenin başka bir etkili yoludur ve pratikte mıknatıs yapısının getirdiği avantajlar nedeni ile sıkça kullanılır [76]. Neodyum temelli sürekli mıknatıs kullanılması her boyutta ve şekilde elektrik makinesi tasarlamamızı ve geliştirmemizi mümkün kılar [6,77]. Ayrıca, sürekli mıknatısların kullanılması, kayıpları azaltmakta ve sistemin verimi artmaktadır. Yıldırız ve Aydemir, küçük güçlü bir rüzgar türbininde kullanmak üzere, yüzey yerleştirmeli iki rotor ve nüvesiz tek statorlu, eksenel akılı sürekli mıknatıslı 12 kutuplu bir jeneratörün sonlu elemanlar yöntemi ile analizini yapmıştır [1]. Don Ha ve arkadaşları, doğrudan tahrikli rüzgar türbini uygulamaları için 60 Hz, 10 kva, 300 d/dk özelliklere sahip eksenel akılı sürekli mıknatıslı senkron bir jeneratörün tasarımını ve uygulamasını yapmıştır. Çalışma sonucunda, sonlu elemanlar metodu analiz sonuçlarının ve deneysel çalışma sonuçlarının tutarlı olduğu bildirilmiştir [54]. Bumby ve arkadaşları, doğrudan tahrikli küçük rüzgar ve su türbinleri için 5 kw, 150 d/dk, nüvesiz, eksenel akılı sürekli mıknatıslı bir jeneratör tasarımı gerçekleştirmişlerdir. Bu jeneratörde trapezoidal mıknatıslar ve bobinler kullanılmıştır [78]. Min Fu ve arkadaşları, 12 kutuplu ve 18 oluklu eksenel akılı sürekli mıknatıslı bir jeneratörde hibrit kaykı tekniğini kullanarak vuruntu momentin maksimum değerini

32 5 %88 oranında azaltmış olup çalışmalarında üç boyutlu sonlu elemanlar metodunu kullanmışlardır [49]. Vansompel ve arkadaşları, nüve kütlesinin, nüve şeklinin ve nüvenin katmanlı olup olmamasının eksenel akılı sürekli mıknatıslı jeneratörün verimine olan etkisini incelemiş ve bulgularını sonlu elemanlar yöntemiyle desteklemişlerdir [41]. Vansompel ve arkadaşları, yine eksenel akılı sürekli mıknatıslı bir makinede değişken hava aralığının makineye olan etkilerini incelemiş ve bu yöntemle nüve kayıplarını %8 oranında azalttığını bildirmişlerdir [79]. Lee ve arkadaşları, batarya şarj etmek amacıyla, taşınabilir, rotoru elle döndürülebilen ve yaklaşık 3 kg ağırlığında, 52 W gücünde eksenel akılı sürekli mıknatıslı bir jeneratör tasarımı ve uygulaması gerçekleştirmişlerdir [80]. Pop ve arkadaşları, eksenel akılı ve radyal akılı sürekli mıknatıslı üç jeneratör türünü, verimleri ve materyal maliyetleri bakımından karşılaştırmışlardır [81]. Capponi ve arkadaşları ise çalışmasında, eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine teknolojisindeki gelişmeleri bir derleme şeklinde sunmuştur [82]. Bu tezde, d/dk rotor hızlarında verimli olarak elektrik enerjisi üretebilen eksenel akılı sürekli mıknatıslı, statoru nüveli olan iki jeneratörün tasarımı ve uygulaması amaçlanmıştır. Jeneratörlerden biri tek fazlı diğeri ise üç fazlı olarak tasarlanmıştır. Her iki jeneratörün de tasarımı, simülasyonu ve uygulaması gerçekleştirilmiştir. Teze konu olan tek fazlı ve üç fazlı jeneratörün her ikisi de yenilikçi birer jeneratör olup pek çok özgün değer barındırmaktadır. Bunlardan en önemlisi, özgün bir nüve geometrisi ve bunun getirdiği avantajlardır. Jeneratörlerin sahip olduğu geometri sayesinde vuruntu momenti minimize edilmiştir. Jeneratörlerin her biri çift taraflı bir stator ve sağlı sollu rotorlardan oluşmuştur. Statorun bir yanı diğerine göre küçük yarıçaptadır ve rotorlar da karşılıklı gelecek şekilde büyük ve küçük çaplardadır.

33 6 Literatürde, genellikle ya tek parça nüveden oluşan jeneratör yapıları ya da tamamen nüvesiz olan jeneratör yapıları yer almaktadır. Tek parça nüveden oluşan jenaratör yapılarında nüve kayıpları fazla olup ayrıca vuruntu momenti de nüve materyalinin fazla kullanılmasından dolayı artmaktadır. Nüve materyalinin artması ayrıca ilave maliyeti de arttırmaktadır. Tamamen nüvesiz olan jeneratör yapılarında ise üretilen güç sınırlı olmakla beraber verim de oldukça düşük kalmaktadır. Teze konu olan her iki jeneratörde ise nüve olarak, birbirinden açısal olarak ayrı ayrı konumlandırılmış özdeş 12 nüve kullanılmıştır. Bu durum, kullanılacak nüve materyalinin, nüve kayıplarının ve jeneratör malzeme maliyetinin azalmasını da sağlamaktadır. Doğrudan tahrikli rüzgar enerjisi sistemlerinde, makinenin büyüklüğü ve ağırlığının, makinenin verimliliğini ve güvenilirliğini azalttığı düşünüldüğünde nüve kütlesinin ve hacminin minimum seviyede tutulması da önemli bir husustur [71]. Ayrıca her iki jeneratörde, stator ve rotor çaplarının farklı olması, sürekli çalışma koşullarında jeneratör ısısının düşürülebilmesi için önemli bir avantaj sağlamaktadır. Bu tezde, teorik ve deneysel yöntemlerin her ikisi de kullanılmıştır. Teorik yöntem olarak, sonlu elemanlar yöntemiyle, tek fazlı ve üç fazlı jeneratörün tasarımları, üç boyutlu olarak gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan bu jeneratörlerin parametrik çalışmaları yapılarak en uygun tasarımları elde edilmiş olup hem manyetostatik hem de manyetodinamik analizleri gerçekleştirilmiştir. Jeneratörlerin prototip imalatları gerçekleştirilmiş ve uygulaması laboratuvar ortamında deneysel yöntemlerle yapılmıştır. Bir asenkron motor ve motorun hız kontrol ünitesi kullanarak 100 d/dk rotor hızından 1000 d/dk rotor hızına kadar küçük aralıklarla farklı hızlar için elde edilmiş jeneratör çıktıları deneysel olarak kaydedilmiştir. Anma değerleri ayrıntılı deneysel çalışmalarla belirlenerek iki jeneratörün karakteristik özellikleri tespit edilmiştir.

34 7 2. EKSENEL AKILI SÜREKLİ MIKNATISLI MAKİNELER Sürekli mıknatıslı makineler, yapısal bakımdan, eksenel akılı ve radyal akılı makineler olmak üzere iki grupta sınıflandırılabilir. Manyetik akının yarıçap yönünde geçirilmesi suretiyle elde edilen makineler radyal akılı makineler olarak isimlendirilirken; yarıçap yönüne dik bulunan eksen boyunca akı geçişi sağlananlara da eksenel akılı makineler denir. Şekil 2.1 de eksenel akılı ve radyal akılı sürekli mıknatıslı makine örneği gösterilmiştir. (a) Şekil 2.1. (a) Radyal akılı makine, (b) eksenel akılı makine [83] (b) Şekil 2.2 de ise eksenel akılı ve radyal akılı makinede manyetik akı yolu gösterilmiştir. (a) (b) Şekil 2.2. (a) Eksenel akılı makinede akı yolu, (b) radyal akılı makinede akı yolu [84] Sürekli mıknatıslı jeneratörler de yine aynı şekilde, hava aralığındaki manyetik akının akış yönüne göre eksenel ya da radyal olarak sınıflandırılır [62]. Kendisine

35 8 uygulanan mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürebilen, eksenel akı yönlendirmesine sahip jeneratörler, eksenel akılı jeneratörler olarak tarif edilebilir. Eğer bu tip jeneratörlerde, manyetik kutuplanma sürekli mıknatıslar vasıtasıyla gerçekleştiriliyorsa eksenel akılı sürekli mıknatıslı jeneratörler olarak adlandırılırlar. Eksenel akılı jeneratörler, yapıları bakımından, stator ve rotor düzenleri, nüve türleri, sargı tipleri ve mıknatıs dizilimlerine göre detaylı bir sınıflandırmaya tabi tutulabilir. Şekil 2.3 te jeneratörlerin sınıflandırılması gösterilmiştir. Şekil 2.3. Sürekli mıknatıslı jeneratörlerin sınıflandırılması [26,82] Eksenel akılı sürekli mıknatıslı jeneratörlerin radyal akılı sürekli mıknatıslı jeneratörlere göre sahip oldukları bazı avantajlar şu şekilde sıralanabilir [14,61,62,85,86,87]: Eksenel akılı jeneratör yapısı, kısa eksenel uzunluğa izin verdiğinden, yüksek güç kütle oranı ve çok kompakt bir yapıda jeneratör elde edilmesini sağlar. Eksenel akılı jeneratörler düzlemsel ve ayarlanabilir bir hava aralığına sahiptir.

36 9 Eksenel akılı jeneratörler daha az nüve malzemesiyle yüksek bir güç yoğunluğuna sahiptir. Eksenel akılı jeneratörlerin topolojisi, arzu edilen güç veya moment değerini elde edebilmek için modül eklenip çıkarılabilecek bir yapıya sahiptir. Eksenel akılı jeneratörler nispeten büyük çaplı olduklarından, kutup sayısı fazlaca yapılabildikleri için düşük hız uygulamalarına daha uygundur. Eksenel akılı sürekli mıknatıslı jeneratörlerin uyartımları sürekli mıknatıslarla yapıldığından ve rotorlarında da iletim kayıpları olmadığından, yüksek verimlilik ve kararlılığa sahiptirler. Eksenel akılı sürekli mıknatıslı jeneratörlerdeki yüksek güç yoğunluğu, ısınma problemine sebep olmaktadır [64]. Ancak, bu tip jeneratörlerde büyük çaplı rotor disklerinin olması doğal olarak iyi bir soğutma sağlar. Bu da jeneratörün daha yüksek yüklerle yüklenmesine imkan tanır. Jeneratördeki nüve kaybı, vuruntu momenti, rotor ve stator arasındaki manyetik kuvvet çekimi gibi olumsuz durumlar, değişik makine konfigürasyonları kullanılarak bertaraf edilebilmektedir [11]. Eksenel yapılı jeneratörlerde rotor ve stator arasındaki güçlü manyetik çekim kuvvetinin olumsuz etkileri tasarımda mutlaka göz önüne alınmalıdır [88]. Bu çekim kuvveti makinede önemli derecede mekanik zorlanmalar ve titreşimler meydana getirdiğinden rotor ile stator arasındaki hava aralığı radyal yapıdaki makinelere göre genellikle daha fazladır [73]. Eksenel akılı jeneratörlerde statorun ve rotorun yapısı çok faklı kombinasyonlarda olabilmektedir. Rotor tek taraflı veya çift taraflı olabileceği gibi stator yapısı da tek taraflı veya çift taraflı olabilmektedir. Rotor içte, rotor dışta, stator içte, stator dışta, iki stator tek rotor, iki rotor tek stator, nüveli stator, nüvesiz stator gibi değişik konfigürasyonlarda jeneratörler tasarlanabilmektedir [1,39,46,71,75,89-93]. Şekil 2.4 te eksenel akılı sürekli mıknatıslı jeneratörün değişik bazı yapıları gösterilmiştir.

37 10 (a) (b) (c) (d) Şekil 2.4. Eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine topolojisi. (a) tek taraflı oluklu makine, (b) İki rotorlu ve statoru içte, çift taraflı oluksuz makine, (c) rotoru çift taraflı ve içte, iki statorlu oluksuz makine, (d) statoru içte çift taraflı nüvesiz makine [86] 1. Stator nüvesi 2. Stator sargısı 3. Rotor 4. Sürekli mıknatıs 5. Çerçeve 6. Rulman 7. Mil 2.1. Tek Taraflı Makineler Eksenel akılı makinelerde, tek taraflı makine yapısı, çift taraflı makine yapısına göre daha basittir. Fakat moment ve güç üretme kapasitesi daha düşüktür. Şekil 2.5 te tek

38 11 taraflı eksenel akılı sürekli mıknatıslı bir makinenin yapısı gösterilmiştir. Bu makinenin rotor yüzeyine sürekli mıknatıslar yerleştirilmiş ve statoru lamine olarak elektriksel özellikli çelik şeritlerden yapılmıştır [94]. Şekil 2.5. Tek taraflı eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine [86] 1. Katmanlı stator 2. Sürekli mıknatıs 3. Rotor 4. Çerçeve 5. Mil Şekil 2.6 da tek taraflı, tek rotorlu ve tek statorlu (oluklu) olan eksenel akılı sürekli mıknatıslı bir makinenin yapısı gösterilmiştir. Şekil 2.6. Tek rotorlu ve tek statorlu (oluklu) eksenel akılı jeneratör yapısı [95] Tek stator ve tek rotorlu makine yapısında, rotor ve stator arasında dengesiz bir eksenel kuvvet meydana gelmesi önemli bir dezavantajdır. Bu nedenle çift taraflı makine yapısına göre daha karmaşık ve dayanıklı rulman sistemlerine ihtiyaç duyar [96].

39 Çift Taraflı Makineler Rotoru içte olan çift taraflı makineler Çift taraflı eksenel akılı jeneratör yapısında, tek taraflı yapıya göre iki kat daha fazla enerji elde edilebilir [62,73]. Bu makine yapısında, rotor çift taraflı olup, iki statorun arasında konumlandırılmıştır. Rotorun her iki yüzeyine sürekli mıknatıslar, statorlara da sargılar yerleştirilir. Çift taraflı makine yapısıyla, tek taraflı makine yapısına göre rotor ve statorlar arasında çekim kuvveti bakımından daha düzenli bir denge sağlanabilmektedir. Manyetik olmayan hava aralığı tek taraflı makineye göre daha fazladır. Çift taraflı makinede, stator sargıları paralel bağlandığında, statorlardan biri arızalansa dahi diğer stator işlev görebilmektedir. Şekil 2.7 de, rotoru içte olan çift taraflı ve üç fazlı bir makine örneği gösterilmiştir. Şekil 2.7. Rotoru çift taraflı ve içte, 3 fazlı, 9 bobinli, 8 çıkık kutuplu ve iki statoru dışta eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine [86] 1. Sürekli mıknatıs 2. Stator arka ferromanyetik diski 3. Stator kutbu 4. Stator sargısı Şekil 2.8 de ise çift statorlu ve oluklu statorları dışta, rotoru içte ve çift taraflı olan bir makine örneği gösterilmiştir.

40 13 Şekil 2.8. Rotoru içte ve iki statoru dışta olan eksenel akılı jeneratör yapısı [95] Statoru içte ve nüveli olan çift taraflı makineler Nüveli olan stator oluklu ya da oluksuz olarak tasarlanabilmektedir. Stator, rotorların arasına yerleştirilir. Stator nüvesi lamine nüve malzemesinden yapılır. Stator sargıları tek fazlı ya da çok fazlı olabilmektedir. Oluksuz makine yapısıyla, çok düşük gürültü ve ihmal edilebilir seviyede vuruntu momenti sağlanabildiği gibi titreşimler ve yüksek frekanslardaki rotor kayıpları da azaltılabilir. Oluksuz makine yapısı, karşılıklı ve kaçak endüktansların düşük değerde kalmasını sağlar [14]. Şekil 2.9 da üç fazlı bir makinenin sargı ve mıknatıs düzeni, manyetik devresi ve manyetik akı yolu gösterilmiştir. Şekil 2.9. Çift taraflı, statoru içte ve oluksuz, üç fazlı eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine yapısı [86] 1. Sargı 2. Sürekli mıknatıs 3. Stator boyunduruğu 4. Rotor boyunduruğu

41 Statoru içte ve oluklu olan çift taraflı makineler Rüzgar jeneratörü uygulamalarında, statorunda oluklu nüve bulunan eksenel akılı sürekli mıknatıslı jeneratörler de kullanılabilir [61]. Şekil 2.10 da çift taraflı ve oluklu bir statora sahip makine örneği gösterilmiştir. Stator nüvesi katmanlı nüve malzemesinden yapılır ve nüveye oluk şekli verilir. Bu tür makinelerde hava aralığı 1mm den daha küçük yapılabildiğinden hava aralığındaki manyetik akı fazladır. Şekil Statoru çift taraflı oluklu ve içte olan eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine [86] 1. Oluklu stator nüvesi 2. Sürekli mıknatıs 3. Yumuşak çelik nüve 4. Manyetik olmayan rotor plakası Şekil 2.11 de çift taraflı oluklu statoru içte ve ikiz rotorları dışta olan makine örneği gösterilmiştir. Şekil Statoru içte ve iki rotorlu olan eksenel akılı jeneratör yapısı [95]

42 Statoru içte ve nüvesiz olan çift taraflı makineler Statoru nüvesiz olan makinelerde, stator sargıları manyetik ve iletken olmayan bir kalıba yerleştirilir. Bu kalıplar reçine veya epoksi gibi değişik malzemelerden yapılabilmektedir. Statorda nüve olmadığından nüve kayıpları meydana gelmez. Ancak, yüksek frekanslı çalışma şartlarında stator sargılarında girdap (eddy) kayıpları meydana gelebilir [97]. Nüve olmadığından stator ve rotor arasında herhangi bir manyetik çekim kuvveti de olmayacağından bu tür makinelerde vuruntu momenti da oluşmamaktadır. Ancak istenilen miktarda manyetik akıyı elde edebilmek için nüveli makinelere göre çok daha fazla miktarda sürekli mıknatıs kullanılması gerekmektedir. Şekil 2.12 de statoru içte ve nüvesiz olan çift taraflı bir makine örneği gösterilmiştir. Şekil Nüvesiz eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine [74,98] 1. Stator sargısı 2. Çelik rotor 3. Kalıcı mıknatıslar 4. Çerçeve 5. Vidalama 6. Mil Nüvesiz eksenel akılı makinelerde stator ve rotor arasında manyetik çekim kuvveti söz konusu değildir [99]. Böylece stator ve rotor arasında çekim kuvvetinden kaynaklanan mekaniksel problemler yaşanmaz. Statorda nüve olmadığından makinenin toplam ağırlığı önemli ölçüde azalır. Ayrıca stator ve rotor arasında manyetik kuvvet bakımından etkileşim olmadığından vuruntu momenti ve buna bağlı titreşimler de meydana gelmez.

43 Çok Statorlu ve Çok Rotorlu Makineler Eksenel akılı makinelerde stator ve rotor sayıları arttırılabilmektedir. Böylece daha yüksek miktarlarda moment ve güç değerleri elde edilebilir. Ancak, stator ve rotor sayısının artırılmasıyla makine yapısı daha karmaşık bir hale gelir. Bu da mekaniksel bir takım problemlere yol açabilir. Bu problemler, kullanılan mıknatısların çekim kuvvetlerinin rotor ve stator plakalarını etkilemelerinden ya da mil ve rulmanlardan kaynaklanabilir. Dolayısıyla bu tür problemler tasarım aşamasında düşünülerek gerekli tedbir alınmalıdır. Şekil 2.13 te çok statorlu ve çok rotorlu bir makine yapısı gösterilmiştir. Şekil Nüvesiz, çok diskli (üç stator dört rotor) eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine [86] 1. Stator sargısı 2. Sürekli mıknatıs 3. Rotor ünitesi 4. Rulman 5. Mil Şekil 2.14 te iki statorlu üç rotorlu bir makine örneği gösterilmiştir. Bu makinenin statorları çift taraflı ve oluklu olarak tasarlanmıştır. Dış kısımdaki iki rotoru tek taraflı iken orta kısımda yer alan rotoru ise çift taraflıdır.

44 17 Şekil Çok statorlu ve çok rotorlu eksenel akılı jeneratör yapısı [95] 2.4. Eksenel Akılı Makinelerin Başlıca Sargı Tipleri Eksenel akılı makinelerde kullanılan sargılar, özellikle statorun tipine ve durumuna göre değişik tiplerde olabilmektedir. Statorun nüveli ya da nüvesiz, oluklu ya da oluksuz olması durumuna göre kullanılan sargı tipi de değişmektedir. Bu sargılar tek fazlı ya da çok fazlı olarak tasarlanabilmektedir. Şekil 2.15 te rotoru içte olan çift statorlu bir makinenin, oluklu ve oluksuz stator yapıları için sargı örnekleri gösterilmiştir. Şekil Oluklu ve oluksuz stator yapısı için sargı örnekleri [88] Oluklu statorda dağıtılmış üç fazlı sargılar Bu sargı tipi, statoru nüveli ve oluklu olan makinelerde kullanılır. Sargılar tek katlı ya da çift katlı olarak tasarlanabilmektedir. Tek katlı sarımda statorun bir oluğuna yalnızca bir sargı kenarı yerleştirilir. Böyle bir sargı tasarımında sargıların sayısı

45 18 oluk sayısının yarısına eşittir. Çift katlı sargı tasarımında ise statordaki her bir oluğun içinde farklı sargıların kenarları bulunabilmektedir. Bu tür sargı tasarımında ise statorun oluk sayısı toplam sargı sayısına eşittir. Şekil 2.16 da, üç fazlı 6 kutuplu ve 36 oluklu bir stator yapısı için tek katlı dağıtılmış tip sargı örneği gösterilmiştir. Şekil Üç fazlı 6 kutuplu 36 oluklu tek katlı dağıtılmış sargı örneği [86] Şekil 2.17 de, çift rotorlu, statoru oluklu, içte ve çift taraflı olan, sargıları oluklara dağıtılmış bir makine için sargı örneği gösterilmiştir. Şekil Oluklu statorlu troidal sargılı makine örneği [88]

46 Toroidal sargı Troridal stator sargıları, çift taraflı iki rotorlu makine yapısında kullanılır. Kısa uç bağlantısı, basit bir nüve yapısı gerekliliği ve faz sayısının tasarlanmasındaki kolaylık, toroidal stator sargısının avantajlarındandır [31,100]. Üç fazlı troridal stator sargıları bulunan 6 kutuplu 18 bobinli bir makine örneği Şekil 2.18 de gösterilmiştir. Makinenin faz ve bobin bağlantıları yapılırken, sargıların akım yönleri, sargıların etkisinde bulundukları mıknatıs kutupları dikkate alınarak yapılmalıdır. Bu husus, tüm sargı çeşitlerinde unutulmamalıdır. Şekil Sargısı toroidal tipte olan 3 fazlı, 6 kutuplu, 18 bobinli, iki rotoru dışta eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine [86] Şekil 2.19 da, çift rotorlu, statoru oluksuz, içte ve çift taraflı olan bir makine için sargı örneği gösterilmiştir.

47 20 Şekil Oluksuz statorlu troidal sargılı makine örneği [88] Nüvesiz stator sargıları (trapezoidal sargı) Nüvesiz stator sargıları çift taraflı iki rotorlu eksenel akılı sürekli mıknatıslı makinelerde kullanılır. Yapı kolaylığı bakımından, stator sargıları, tek katlı trapezoidal şeklindeki bobinlerden oluşur. Sargıları bir arada tutmak için genellikle reçine, epoksi veya buna benzer malzemeler kullanılır. Trapezoidal sargılar, aktif olmayan uzun uç sarımına sahip olduğundan bakır kaybı fazladır. Bu da verimi azaltan bir faktördür [28]. Şekil 2.20 de, nüvesiz statorlu 3 fazlı, 8 kutuplu eksenel akılı sürekli mıknatıslı bir makine için trapezoidal sargı örneği gösterilmiştir. Şekil İki rotoru dışta, 3 fazlı, 8 kutuplu, nüvesiz eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine için trapezoidal sargı örneği [86]

48 Yığılmamış sargılar Bu tür sargılar, dağıtılmadan konsantre şekilde yapılır. Tek taraflı ya da çift taraflı, nüveli ya da nüvesiz stator yapısında kullanılabilmektedir. Sargılar tek katlı ya da çok katlı olarak yapılabilir. Bu tip sargılar dairesel, trapezoidal, çokgen veya değişik geometrik şekillerde tasarlanabilir. Şekil 2.21 de, nüvesiz stator yapısında çift katlı dağıtılmamış sargıların dizilimi, Şekil 2.22 de ise üç fazlı 9 bobinli tek katlı yığılmamış sargılar ve uç bağlantılarının olduğu bir makine örneği gösterilmiştir. (a) (b) (c) Şekil Çift taraflı, statoru içte ve çıkık kutuplu, iki rotorlu eksenel akılı sürekli mıknatıslı makine. (a) makine yapısı; (b) stator; (c) rotor [86] 1. Sürekli mıknatıs 2. Rotor arka çelik diski 3. Stator kutbu 4. Stator sargısı Şekil Üç fazlı, 9 bobinli makinenin sargı bağlantı şeması [86]

49 22 3. JENERATÖRLERİN TASARIMI Bu tezde, tek fazlı ve üç fazlı olmak üzere iki ayrı jeneratör tasarımı yapılmıştır. Her iki jeneratörde de, çift taraflı tek bir stator ve statorun her bir yüzeyine paralel olarak konumlandırılmış disk şeklinde iki rotor bulunmaktadır. Her iki jeneratör, tip olarak statoru çift taraflı, nüveli, oluksuz, içte ve davul tip sargılı, rotorları ise dışta olan eksenel akılı sürekli mıknatıslı jeneratör olarak tarif edilebilir. Stator sabit olup rotorlar dönmektedir. Jeneratörlerin her birinde 24 adet dairesel bobin ve 12 adet ayrık nüve bulunmaktadır. Nüve şekli tamamen özgün olarak tasarlanmıştır. Üç fazlı jeneratörün her bir rotor plakasında 16 şar adet, tek fazlı jeneratörün her bir rotor plakasında ise 12 şer adet sürekli mıknatıs bulunmaktadır. Resim 3.1 de prototip olarak imal edilen üç fazlı jeneratör, iki farklı açıdan bir bütün olarak gösterilmiştir. Resim 3.1. Üç fazlı jeneratörün prorotipi Şekil 3.1 de, tasarlanan tek fazlı jeneratörün benzetim programı vasıtasıyla oluşturulmuş genel yapısı, Resim 3.2 de ise tek fazlı jeneratörün prototip imalatı gösterilmiştir.

50 23 Şekil 3.1. Tek fazlı jeneratörün benzetim programındaki genel görünümü Resim 3.2. Tek fazlı jeneratörün prototipi Tez kapsamında tasarlanan, üç fazlı ve tek fazlı jeneratörün her ikisinde de stator yapısı birebir aynıdır. Ancak, statorlarda yer alan bobinlerin uç bağlantıları farklıdır. Üç fazlı ve tek fazlı jeneratörün yapısındaki asıl fark rotor yapılarında bulunmaktadır. Bu sebeple stator yapısı her iki jeneratör için ortak olarak açıklanmıştır.

51 Stator Tasarımı Eksenel akılı sürekli mıknatıslı makineleri sınırlayan sakıncaların birçoğu genellikle stator yapılarıyla ilgilidir. Bu yüzden stator tasarımına çok özen gösterilmelidir [88]. Statoru çift taraflı jeneratör yapısı, tek taraflı jeneratör yapısına göre daha çok tercih edilir. Çünkü çift taraflı yapıda, stator ve rotor mekaniksel olarak dengelenebilmekte, çift hava aralığından dolayı jeneratörde oluşan ısı daha kolay bir şekilde ve doğal olarak azaltılabilmektedir. Bu sebeple, çift taraflı jeneratör, elektriksel olarak daha fazla yüklenebilmektedir [54]. Bu avantajından dolayı, tez kapsamında tasarlanan her iki jeneratörün de statorları çift taraflı (double sided) olarak imal edilmiştir. Tasarlanan jeneratörlerde, statorların her iki tarafı da aktif olarak işlev gören bir yapıdadır. Şekil 3.2 te statorun benzetim programındaki genel görünümü ve Resim 3.3 te ise prototip imalatı gösterilmiştir. Buna göre stator; nüveler, bobinler ve bunları bir arada tutan iki ayrı stator katmanından meydana gelmektedir. Stator, rotor plakaları arasına konumlandırılmış olup sabit halde durmaktadır. Şekil 3.2. Statorun benzetim programındaki genel görünümü

52 25 Resim 3.3. Statorun prototipi Nüve Tasarımı Statoru nüvesiz olan jeneratörlerde stator ve rotor arasında herhangi bir manyetik çekim kuvveti olmadığından vuruntu momenti da meydana gelmez. Bu yüzden, statoru nüvesiz olan jeneratörlerin düşük hızlı uygulamalarda ilk hareketi daha kolaydır. Bu tür makinelerde nüve olmadığından histerisiz kayıpları da olmaz. Fakat girdap kayıpları nüveli stator yapısına göre daha fazla oluşur [78,90,101,102]. Nüvesiz jeneratörde, nüveli jenaratöre göre daha büyük bir hava aralığı vardır. Bu yüzden hava aralığındaki manyetik akı yoğunluğu daha azdır ve homojen değildir. Nüvesiz jeneratörde, gerekli manyetik akıyı sağlamak için daha fazla mıknatıs kullanmak gerekir. Nüvesiz jeneratörde manyetik akı yoğunluğu az olduğundan, gerilim elde edebilmek için, nüveli yapıya göre daha fazla iletken kullanmak gerekir. Bu yüzden, nüvesiz jeneratörlerde bakır kaybı nüveli jeneratörlere göre daha fazladır. Nüveli stator yapısında, nüve kayıpları bakır kayıplarından daha azdır [101]. Oluksuz stator yapımı oluklu stator yapımına göre oldukça basittir. Lamine bir yapıya sahip olan statorda oluk açmak oldukça zahmetli bir uğraş gerektirmektedir [61,80,90,103,104]. Stator nüvesinin ince saclardan lamine olarak yapılması, statorun nüve kayıplarını önemli derecede azaltmaktadır [41]. Nüveli stator yapısında, tek parça malzemeden nüve yapılması yüksek miktarda girdap kayıplarına sebep olmaktadır. Bu yüzden tek parça nüve yerine lamine olarak, yumuşak elektriksel çelikten imal edilen nüve kullanılır.

53 26 Bir malzemenin manyetik özelliği kolaylıkla bozulabiliyorsa bu tür malzemelere yumuşak manyetik malzeme denir. Yumuşak manyetik malzemeler, bilhassa yüksek hız uygulamalarında vazgeçilmezdir. Analiz yapılırken, yumuşak manyetik bir malzeme olan çeliğin B-H eğrisi belirtilmelidir [74]. Tez kapsamında tasarlanan jeneratörler nüveli bir yapıya sahiptir. Nüveler için, Amerikan standartlarında M-19 sınıfı, Avrupa standartlarında ise M530 50A olarak adlandırılan ve elektrik makinelerinin imalatında sıkça kullanılan çelik sac kullanılmıştır. Nüveler için kullanılan çelik sac, manyetik özellikleri bakımından doğrusal olmayan bir malzemedir. Benzetim programı bu malzemenin çözümünü yaparken malzemenin B-H eğrisini kullanarak çözüm yapar. M530 50A çelik sacın B-H eğrisi Şekil 3.3 te gösterilmiştir. Şekil 3.3. Nüve malzemesine ait B-H eğrisi Çizelge 3.1 de ise, nüve için kullanılan M530-50A sacının manyetik özellikleri ve kayıpları gösterilmiştir.

54 27 Çizelge 3.1.M530-50A nüve malzemesinin özellikleri B Tesla W/kg 50 Hz VA/kg 50 Hz A/m 50 Hz W/kg 100 Hz W/kg 200 Hz W/kg 400 Hz 0,1 0,04 0,11 56,1 0,14 0,23 0,56 0,2 0,14 0,31 74,1 0,42 0,82 2,07 0,3 0,30 0,54 85,8 0,81 1,70 4,29 0,4 0,48 0,81 95,6 1,24 2,80 7,09 0,5 0,69 1, ,58 4,09 10,5 0,6 0,92 1, ,14 5,56 14,6 0,7 1,17 1, ,83 7,20 19,5 0,8 1,44 2, ,49 9,09 25,5 0,9 1,74 2, ,28 11,3 32,6 1,0 2,07 3, ,52 13,8 40,8 1,1 2,43 3, ,46 16,7 50,4 1,2 2,84 4, ,38 20,0 61,5 1,3 3,30 5, ,73 23,8 74,1 1,4 3,84 7, ,02 28,2 89,1 1,5 4,46 10, ,0 32, ,6 5,16 23, ,7 5,81 62, ,8 6, Şekil 3.4 te, bir nüvenin benzetim programındaki görüntüsü ve Resim 3.4 te ise bir nüvenin prototip imalatındaki görünüşü gösterilmiştir. Şekil 3.4. Bir nüvenin benzetim programındaki görünümü Bir adet nüve, 0,5 mm kalınlığında 40 adet sac tabakasının birleştirilmesi ve paketlenmesinden oluşmaktadır. Nüvenin aşağı ve yukarı dikey kolları birer silindir şeklinde tasarlanmıştır. Ancak uygulamada, bu saclardan üc boyutlu silindirik geometriyi elde edebilmek için, bir adet nüveyi oluşturan sac tabakalarının tamamı ayrı ayrı ölçülerde lazer kesim yöntemi kullanılarak kesilmiş ve paketlenerek üç boyutlu silindirik geometri elde edilmiştir.

55 28 Resim 3.4. Bir nüvenin prototip imalatındaki görünümü Her bir jeneratörde toplam 12 nüve kullanılmıştır. Her bir nüve için 40 adet olmak üzere, 12 nüve için toplam 480 adet 0,5 mm kalınlığındaki sac, lazer kesimi ile kesilmiştir. Şekil 3.5 te, benzetim programında nüvelerin bir araya getirilmesine ait görüntü gösterilmiştir. Şekil 3.5. Nüvelerin, nüve katmanında bir araya getirilmesinin benzetim programındaki görünümü Lazerle kesilen saclar nüve geometrisini oluşturacak biçimde paketlenmiş ve her bir jeneratör için 12 adet nüve blok olarak elde edilmiştir. Resim 3.5 te, blok haline getirilien nüvelerin, nüve katmanında toplanmaları ve montaj edilme şekli, prototip imalatın üzerinde gösterilmiştir.

56 29 Resim 3.5. Nüvelerin, nüve katmanına montajının prototip imalatındaki görüntüsü Oluşturulan 12 adet nüve, jeneratörün stator bloğunu oluşturmak için, nüve katmanı olarak isimlendirilen bir katmanın içerisine monte edilmiştir. Şekil 3.6 da nüve katmanının benzetim programındaki görünüşü ve Resim 3.6 da ise prototip imalatı gösterilmiştir. Şekil 3.6. Nüve katmanının benzetim programındaki görüntüsü

57 30 Resim 3.6. Nüve katmanının prototip imalatındaki görüntüsü Nüvelerin tamamı bu katmana sabitlenerek, hem rotorun dönme hareketinden hem de mıknatısların çekim kuvvetinden dolayı hareketsiz kalmaları sağlanmıştır Bobin Tasarımı Jeneratörün yapısal maliyeti ve özellikle bakır kayıplarının sınırlandırılması bakımından, mümkün olduğu kadar az katmanlı sargılar kullanılması tercih edilir [14,86]. Düşük hızlı sürekli mıknatıslı makinelerde, kısa sargı ucu özelliğinden dolayı, dairesel tip (drum tip) konsantre sargılar kullanmak, bakır kayıplarını azaltmaktadır [69,105,106]. Bobinlerin aktif yüzeyinden daha fazla yararlanmak için bobin ve mıknatısların çap ölçülerinin birbirine yakın olması gerekmektedir [78]. Dairesel bobinleri sarmak, trapezoidal olanlara göre daha kolaydır ve yüksek sayıdaki kutup uygulamalarında sıklıkla kullanılır [106,107]. Ancak bu tür sargılar bir miktar harmonik üretilmesine sebep olmaktadır [96]. Tez çalışması için tasarlanan jeneratörlerde, dairesel sarımlı bobinler kullanılmıştır. Şekil 3.7 de, bobinin şekli ve nüve üzerine montajının benzetim programındaki görünümü ve Resim 3.7 de ise prototip imalatındaki görünümü gösterilmiştir. Nüvelerin silindir şeklinde olan kollarına, aynı özelliklere sahip birer adet bobin monte edilmiştir. Böylece; nüve ile eksenel ve radyal yönde yönlendirilen manyetik

58 31 akı, nüvenin üzerinde bulunan her iki bobinde de gerilimin indüklenmesini sağlamaktadır. Şekil 3.7. Bobin ve nüvenin benzetim programındaki görünümü Resim 3.7. Bobin ve nüvenin prototip görüntüsü Bobinler ile nüveleri bir arada tutmak ve stator gövdesini blok haline getirmek için, stator katmanı adı verilen iki adet katman kullanılmıştır. Şekil 3.8 de, stator katmanının benzetim programındaki görünümü ve Resim 3.8 de ise prototip imalatındaki görünümü gösterilmiştir. Şekil 3.8. Stator katmanının benzetim programındaki görünümü

59 32 Resim 3.8. Stator katmanının prototip görüntüsü Nüveler, nüve katmanına monte edilip sabitlendikten sonra, her bir nüveye ikişer bobin monte edilmiştir. Daha sonra, her iki stator katmanı da, oluşturulan bu yapıya monte edilmiş ve katmanların köşelerine yerleştirilen civata ve somunlar yardımıyla, nüveler, nüve katmanı, bobinler ve stator katmanları sabit tek bir stator gövdesi haline getirilmiştir. Nüvelerin yapısından dolayı, satatorun her bir yüzeyinde farklı çaplarda iki ayrı yapı oluşmaktadır. Bu yapı sayesinde farklı çaplara sahip iki rotorun kullanılmasına imkan tanınmıştır. Şekil 3.9 da, statorun büyük çaplı yüzeyinin benzetim programındaki görünümü ve Resim 3.9 da ise prototip imalatındaki görünümü gösterilmiştir. Şekil 3.9. Statorun büyük çaplı yüzeyinin benzetim programındaki görünümü

60 33 Resim 3.9. Statorun büyük çaplı yüzeyinin prototip görünüsü Şekil 3.10 da, statorun küçük çaplı yüzeyinin benzetim programındaki görünümü ve Resim 3.10 da ise prototip imalatındaki görünümü gösterilmiştir. Şekil Statorun küçük çaplı yüzeyinin benzetim programındaki görüntüsü Resim Statorun küçük çaplı yüzeyinin prototip görüntüsü

61 Rotor Tasarımı Sert manyetik malzemelerin yüksek koersivite ve düşük geçirgenlik özellikleri, onların magnetize ve demagnetize olmalarını zorlaştırır. Bu tür malzemeler, bir kez mıknatıslanıp ondan sonra uzun süre bu mıknatıslanmalarını korumalarından dolayı sürekli mıknatıslar olarak adlandırılırlar. Sürekli mıknatıslı makinelerde en yaygın olarak kullanılan mıknatıs Neodymium Iron Boron (NdFeB) mıknatıstır. [74]. Üretimi yaygınlaşan yüksek yoğunluklu mıknatıslar, gerek motor uygulamalarında gerekse jeneratör uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır [1]. Sürekli mıknatıslı jeneratörün maliyetinin azaltılması için, jeneratör konfigürasyonunun, jeneratörde kullanılan materyallerin, özellikle de mıknatısların dikkatlice seçilmesi ve rotor yapısının çok iyi bir şekilde optimize edilmesi gerekir [34,90,52]. Sürekli mıknatıslı rotor, basit yapısı, yüksek güç yoğunluğu, yüksek verimi ve uyartım kayıplarının az olması nedeniyle tercih edilir [14,48]. Eksenel akılı sürekli mıknatıslı jeneratör teknolojisinde, rotor plakasına yerleştirilen, NdFeB mıknatıslar kullanılır. Bu tür mıknatıslar yüksek bir manyetik akıya ve verime sahip olduklarından diğer mıknatıs türlerine göre kütle ve hacim bakımından önemli bir avantaj sağlar [15,19,26,35,45,54,77,85,96,108]. Tez çalışması kapsamında, biri tek fazlı diğeri üç fazlı jeneratörde kullanılmak üzere farklı iki rotor tasarlanıp imalatı gerçekleştirilmiştir Tek fazlı rotor tasarımı 1 fazlı jenaratör elde edebilmek için; statorda kullanılan bobinlerden her birinin (her bir nüvede kullanılan bobin çifti bir bobin olarak düşünülmüştür) rotorda kullanılan mıknatıs çiftine denk gelmesi gerekmektedir. Bir başka deyimle, bobinlerin her biri aynı anda aynı miktarda mıknatıslara denk gelmelidir ki; sargılar arasında faz farkı meydana gelmesin. Bu amaçla yapılmış bir tasarımda, bobin sayısı ile kutup sayısının aynı olması zorunludur. Jeneratörde birbirinden farklı iki rotor

62 35 bulunmaktadır. Büyük çaplı rotor, Rotor-1, küçük çaplı olan rotor da Rotor-2 olarak adlandırılmıştır. Şekil 3.11 de, Rotor-1 in benzetim programındaki görünümü ve Resim 3.11 de ise prototip imalatındaki görünümü gösterilmiştir. Şekil Rotor-1 in benzetim programındaki görünümü Rotor-1 de, 40 mm çapında 5 mm kalınlığında 12 adet NdFeB mıknatıs yer almaktadır. Bu mıknatıslar, Stator-1 i oluşturan nüve kollarına denk gelmeleri için Rotor-2 ye nazaran daha geniş bir çap etrafına 30 ar derece aralıklarla dizilmiştir. Bu sebepledir ki; Rotor-1, Rotor-2 den daha büyük çaplıdır. Mıknatıslar N-S-N-S kutup sırasıyla rotora dizilmiştir. Bir çok bilimsel çalışmada tasarlanan jeneratörlerde iki rotor kullanılmış ve mıknatıslar, manyetik olmayan rotor plakasına dairesel olarak N- S-N-S şeklinde sabit aralıklarla yerleştirilmiştir [78]. Resim Rotor-1 in prototip görüntüsü

63 36 Şekil 3.12 de, Rotor-2 nin benzetim programındaki görünümü ve Resim 3.12 de ise prototip imalatındaki görünümü gösterilmiştir. Şekil Rotor-2 nin benzetim programındaki görünümü Rotor-2 nin yapısında da tıpkı Rotor-1 de olduğu gibi, 40 mm çapında 5 mm kalınlığında toplam 12 adet NdFeB mıknatıs yer almaktadır. Bu mıknatıslar, Stator- 2 yi oluşturan nüve kollarına denk gelmeleri için, Rotor-1 e nazaran daha dar bir çap etrafında 30 ar derece aralıklarla dizilmiştir. Bu sebepledir ki; Rotor-2, Rotor-1'den daha küçük çaplıdır. Mıknatıslar N-S-N-S kutup sırasıyla dizilmişlerdir. Resim Rotor-2 nin prototip görüntüsü Yukarıdaki ifedelerden de anlaşılacağı gibi; rotorlarda yer alan mıknatıslar, hem yan yana hem de üst üste N-S-N-S şeklinde dizilmişlerdir. Her bir rotorda 12 şer adet olmak üzere, jeneratörde toplam 24 adet disk şeklinde sürekli mıknatıs monte

64 37 edilmiştir. Şekil 3.13 te tek fazlı jeneratörün mıknatıs dizilimi ve manyetik akı yolu gösterilmiştir. Şekil Jeneratörün mıknatıs dizilimi ve manyetik akı yolu Vuruntu momenti sürekli mıknatıslı makine tasarımında önemli bir unsurdur. Dairesel mıknatıslar, eksenel akılı sürekli mıknatıslı makinelerde vuruntu momentini düşürmenin başka bir etkili yoludur ve pratikte mıknatıs yapısının getirdiği avantajlar nedeni ile sıkça kullanılır [76]. Resim 3.13 te, bu çalışmadaki jeneratörde kullanılan NdFeB mıknatısların görünüşü ve ölçüleri gösterilmiştir. Neodyum temelli sürekli mıknatıs kullanılması her boyutta ve şekilde elektrik makinesi tasarlamamızı ve geliştirmemizi mümkün kılar [6,77]. Ayrıca, kalıcı mıknatısların kullanılması kayıpları azalmakta ve sistemin verimini arttırmaktadır. Resim Jeneratörde kullanılan örnek bir mıknatısın görünüşü ve ölçüleri Üç fazlı rotor tasarımı Jeneratörün üç fazlı olarak çalışabilmesi için, bobin sayısı ve kutup sayısının farklı olması gerekir. Aksi halde jeneratörün çıkışından üç fazlı gerilim elde edilemez. Jeneratör, değişik bobin kutup kombinasyonları kullanılarak üç fazlı olarak tasarlanabilir. Burada dikkat edilmesi gereken husus, kutup sayısının bobin sayısına

65 38 oranının 1,33 olmasıdır. Üç fazlı bir jeneratörde kullanılan bobin sayısı 3 veya 3 ün katları olmalıdır ki faz başına düşen bobin sayısı eşit olarak sağlanabilsin [35]. Çizelge 3.2 de, üç fazlı olarak tasarlanabilecek bazı bobin kutup kombinasyonları gösterilmiştir. Çizelge 3.2. Üç fazlı jeneratör tasarımı için bobin kutup kombinasyonları Bobin sayısı Kutup sayısı Jeneratörde, her bir nüvede iki bobin olmak üzere toplam 24 bobin bulunmaktadır. Ancak bobinler aynı nüveye sarılı bulunduklarından tek bir bobin olarak hesaba katılmaları gerekmektedir. Dolayısıyla, tasarlanan üç fazlı jeneratörün bobin sayısı 12 ve kutup sayısı da 16 dır. Jeneratörde, elektriksel olarak aralarında 120 şer derece faz farkı olan üç faz şu şekilde oluşturulmuştur: Rotor kutupları arasında 360/16=22,5 derece, mekanik olarak mesafe bulunmaktadır. Bobinler (nüveler) arasında ise 360/12=30 derece mekanik, olarak fark bulunmaktadır. Kutup ile bobin (nüve) arasında 30-22,5=7,5 derece, mekanik olarak fark bulunmaktadır. Bu fark elektriksel olarak 16x7,5=120 dereceye denk gelmektedir. İşte, elektriksel olarak meydana gelen bu fark, jeneratörden üç faz elde etmemizi sağlamaktadır. Üç fazlı jeneratörde de iki rotor bulunmaktadır. Bunlar Rotor-1 ve Rotor-2 olarak adlandırılmıştır. Rotor-1 ve Rotor-2 aynı merkezli bir milin üzerine monte edilerek, mille beraber dönecek şekilde tasarlanmıştır. Rotor-1, yapısal olarak büyük

66 39 çaplı ve Rotor-2 ise yapısal olarak küçük çaplıdır. Rotor plakaları, mıknatısların hem kendi aralarındaki hem de nüvelerle olan çekme ve itme kuvvetinden etkilenip bozulmaması için, sert alüminyum malzemeden yapılmıştır. Şekil 3.14 te, Rotor-1 in benzetim programındaki görünümü ve Resim 3.14 te ise prototip imalatındaki görünümü gösterilmiştir. Şekil Rotor-1 in benzetim programındaki görünümü Resim Rotor-1 in prototip görüntüsü Şekil 3.15 te, Rotor-2 nin benzetim programındaki görünümü ve Resim 3.15 te ise prototip imalatındaki görünümü gösterilmiştir. Şekil Rotor-2 nin benzetim programındaki görünümü

67 40 Resim Rotor-2 nin prototip görüntüsü Her bir rotorda aynı özelliklere sahip 16 şar olmak üzere toplam 32 adet disk şeklinde sürekli mıknatıs monte edilmiştir. Mıknatıslar NdFeB olup çapları, tek fazlı jeneratörün mıknatıslarından farklı olarak, 30 mm ve kalınlıkları da 5 mm dir. Mıknatıslar aralarında eşit mesafe olacak şekilde (22,5 derece) rotor plakalarına dizilip monte edilmişlerdir. Rotor-1, büyük çaplı olduğundan, statorun da büyük çaplı kısmına denk gelecek şekilde, Rotor-2 ise küçük çaplı olduğundan statorun da küçük çaplı kısmına denk gelecek şekilde monte edilmiştir. Mıknatısların yan yana ve alt üst dizilimi, tek fazlı jeneratör rotorlarında olduğu gibidir (Bkz. Şekil 3.13). Tez çalışması için tasarlanan tek fazlı ve üç fazlı jeneratörlerin sahip olduğu tüm yapı detayları Şekil 3.16 da, gösterilmiştir. Şekil Tek fazlı ve üç fazlı jeneratörün yapı detayları

68 41 Tüm bu tasarımlardan sonra, tek fazlı ve üç fazlı jeneratörler tamamlanmış olur. Tasarımların tamamı üç boyutlu sonlu elemanlar yöntemini kullanan ve bir paket program olan, Ansoft Maxwell benzetim programı vasıtasıyla gerçekleştirilmiştir Tek Fazlı ve Üç Fazlı Jeneratörün Çalışma İlkeleri Eksenel akılı makinelerde, hava aralığı çok önemli bir parametre olup makinenin bütün çıktılarına etki etmektedir [27]. Eksenel jeneratörlerde hava aralığının az olması, stator sargılarında daha fazla gerilim üretilmesini ve sonuç olarak jeneratörün çıkış gücünün artmasını sağlar [62]. Ancak, nüveli, eksenel akılı sürekli mıknatıslı makinelerde stator nüvesi ve rotorlardaki mıknatısların çekim kuvvetlerinden dolayı rotor ve stator arasındaki hava aralığını sabit tutmak zordur [90,109]. Gereğinden küçük hava aralıkları, vuruntu momentin önemli ölçüde artmasına sebebiyet verir. Hava aralığının artması durumunda ise mıknatıslardan elde edilen manyetik akı miktarı azalır [110]. Tüm bu faktörler göz önünde bulundurularak makinenin optimize edilmesi gerekmektedir. Bunun için de, mekaniksel bazı tedbirlerin alınması gerektiği birçok bilimsel çalışmada bildirilmiştir [109, ]. Tasarımı yapılan jeneratörler eksenel akılı ve sürekli mıknatıslıdır. Çalışma prensibi; değişken manyetik alan içinde bulunan iletken üzerinde gerilim indüklenir ilkesine dayanır. Jeneratörlerin her birinin yapısı, genel anlamda bir stator, iki adet rotor, mil ve uygun mil yataklarından oluşmaktadır. Bu jeneratörlerin her birinde, çapları birbirinden farklı ikişer rotor yer almaktadır. Rotorların yüzeylerinde sürekli mıknatıs bulunmakta ve rotorlar dönebilecek şekilde bir mil ekseninde birleştirilmiştir. Rotor plakalarının disk şeklinde ve geniş çaplı olması, onların tıpkı bir fan gibi, makine içerisinde hava sirkilasyonu meydana getirmesini ve jeneratörün tümünün soğutulmasını sağlar [35,77]. Jeneratörlerde sürekli mıknatıslar kullanılmış olup gerekli manyetik akı bu mıknatıslardan elde edilmektedir. Mıknatısların, dönme hareketi sonucunda oluşturduğu sinüzoidal özellikli manyetik akı iki rotor arasına yerleştirilen ve çelik saclardan meydana gelen nüve vasıtasıyla, eksenel doğrultuda yönlendirilmektedir.

69 42 Manyetik akı, stator ile rotor arasındaki hava boşluğunu geçerek manyetik özellikteki nüveyi takip edip diğer hava boşluğu ve diğer rotorda bulunan ve zıt kutup özelliğine sahip mıknatıstan devresini tamamlamaktadır (Bkz. Şekil 3.13). Nüvelerin uçlarına, bakır iletkenden sarılmış bobinler monte edilmiştir. Her bir nüveye iki adet özdeş bobin sarılmıştır. Bu bobinlerin akım yönleri bir birini destekler yönde tasarlanmıştır. Bobinler istenilen akım ya da gerilim değerlerine göre paralel, seri ya da karışık bağlanabilmektedir. Şekil 3.17 de, tek fazlı jeneratörün bobin bağlantısı ve Şekil 3.18 de ise üç fazlı jeneratörün bobin bağlantısı gösterilmiştir. Burada BX ve SX şeklinde ifade edilen semboller sırasıyla büyük çaptaki ve küçük çaptaki konuma sahip bobinleri göstermektedir. Bobin bağlantısında dikkat edilmesi gereken en önemli husus, bobinlerde indüklenen gerilimin yönüdür. Aynı nüve uçlarında bulunan bobinler aynı mıknatıs kutuplarının ve dolayısıyla aynı manyetik akının etkisinde kalacağı için her iki bobinde de aynı yönlü gerilim indüklenir. Örneğin, B1 ve S1 bobinlerinin ikisinde aynı yönde gerilim indüklenirken, B12 ve S12 bobinlerinde de birbiriyle aynı yönde gerilim indüklenir. Ancak yan yana bulunan bobinler, yani farklı nüvelerde bulunanlar için durum farklıdır. Örneğin, B1, S1 bobinleri altlı üstlü N-S kutuplarının etkisinde pozitif yönlü gerilim indüklerken, B2, S2 bobinleri ise altlı üstlü bunun tam tersi olarak S-N kutuplarının etkisinde olup negatif yönlü gerilim indükler. Bobin bağlantıları yapılırken bu hususlara dikkat edilmeli ve bobin gerilimlerinin bir birini yok etmeden bağlantının gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Aksi halde bağlantıdan gerilim alınmaması ya da düşük gerilim alınması söz konusu olabilmektedir. Tek fazlı jeneratörde, bobinlerin tamamında aynı fazda gerilim indüklenmektedir. Jeneratörde bulunan toplam 24 bobin üç gruba ayrılmıştır. Bir nüvenin iki ucunda bulunan bobinler kendi aralarında paralel olarak bağlanmıştır. Bu paralel bobinler de gruptaki diğer bobinlere seri bir şekilde bağlanmıştır. Toplam 4 nüveden ve 8 bobinden oluşan bir kol oluşturulmuştur. Tek fazlı jeneratörün tamamı üç koldan oluşmaktadır. Şekil 3.17 de tek fazlı jeneratörün bobin bağlantısı gösterilmiştir.

70 43 Şekil Tek fazlı jeneratör için bobin bağlantısı Ancak, istendiği takdirde, bobinlerin tamamı seri ya da paralel olarak ta bağlanabilir. Bu durum, tamamen jeneratörden elde edilmek istenen gerilim ve akım değerine göre kararlaştırılır. Bobinlerin tamamı seri bağlanırsa, jeneratörden, her bir bobinden elde edilen gerilimin bobin sayısına çarpımı kadar gerilim elde edilir. Ancak bobinlerden geçirebileceğimiz akım tek bir bobin iletkeninin akım taşıma kapasitesiyle sınırlı olur. Bobinlerin tamamı paralel bağlanırsa, jeneratörden, bir bobinden elde edilen gerilim kadar gerilim elde edilebilir. Ancak, akım taşıma kapasitesi tüm bobinlerin akım taşıma kapasitesinin toplamı kadar olur. Dolayısıyla, jeneratör tasarımı yapılırken, öncelikle, ihtiyaç duyulacak akım ve gerilim değerleri tespit edilir ve bu değerlere göre bobinlerin bağlantısı gerçekleştirilir. Üç fazlı jeneratörün bobinlerinde farklı zaman aralıklarında gerilim indüklenir. Jeneratördeki bobin bağlantısı, üç faz elde edilebilecek şekilde tasarlanmıştır. Şekil 3.18 de üç fazlı jeneratörün bobin bağlantı şeması gösterilmiştir. Buna göre, bir nüvenin uçlarına bağlı iki bobin A fazına ait ise kendisinden iki nüve ötedeki diğer iki bobin de A fazına aittir. Bu kurala göre; B1,S1,B4,S4,B7,S7,B10,S10 bobinleri A fazını, B2,S2,B5,S5,B8,S8,B11,S11 bobinleri B fazını, B3,S3,B6,S6,B9,S9,B12,S12 bobinleri de C fazını oluştururlar. Jeneratörde bulunan toplam 24 bobin, üç faza eşit şekilde dağıtılmıştır. Her faz grubunda 8 bobin bulunmaktadır.

71 44 Şekil Üç fazlı jeneratör için bobin bağlantısı Şekil 3.19 da, bobinlerin fazlara göre dağılımı daha açık bir şekilde gösterilmiştir. Bir faz grubunu oluşturan bobinlerin tamamı bir birine seri bağlanmıştır. Dolayısıyla, bir fazın gerilimi o fazda yer alan bobinlerde indüklenen gerilimlerin toplamına eşittir. Jeneratörün tüm bobin uçları jeneratör dışına çıkarılmıştır. Jeneratörün faz bağlantısı yıldız bağlantı olarak yapılmıştır. Ancak istenildiği takdirde kolaylıkla üçgen olarak da bağlanabilir. Şekil Üç fazlı jeneratörde bobinlerin fazlara göre dağılımı

72 45 4. JENERATÖRLERİN FORMÜLASYONU Şekil 4.1 de, tek fazlı ve üç fazlı jeneratörde kullanılan bir nüve ve bir bobin için oluşturulan modelin kesit görünüşü gösterilmiştir. Her iki jeneratör için indüktans denklemleri bu model kullanılarak gerçekleştirilebilir. Şekil 4.1. Nüve ve bobin modeli için kesit görüntü r o nüvenin yarıçapını göstermek üzere, nüvenin kesit alanı; Bobinin yaklaşık indüktansı; Moment ifadesi ise; Burada; bir bobinin sarım sayısını, I bobinin akımını, : manyetik akı yoğunluğunu ve manyetik akıyı ifade etmektedir.

73 Tek Fazlı Jeneratörün Formülasyonu Şekil 4.2 de tek fazlı jeneratörün formülasyonu için kullanılan örnek model ve eşdeğer manyetik devresi gösterilmiştir. (a) (b) Şekil 4.2. (a) Tek fazlı jeneratör için örnek model, (b) eşdeğer manyetik devre modeli

74 47 Amper Kanunu uygulanırsa; Faraday Kanunu uygulanırsa;

75 48 Tek fazlı jeneratörün gücü; 4.2. Üç Fazlı Jeneratörün Formülasyonu Üç fazlı jeneratörde kutup sayısı ile bobin sayısı farklı olduğundan, jeneratörün eşdeğer manyetik devresi de tek fazlı jeneratöre göre farklıdır. Şekil 4.3 te, üç fazlı jeneratörün formülasyonu için kullanılan örnek model ve eşdeğer manyetik devresi gösterilmiştir. Kutup çiftlerinden birinin bir nüveye denk gelip, diğer kutup çiftinin nüveye denk gelmediği andaki durumu baz alınarak aşağıdaki ifadeler yazılabilir. (a) (b) Şekil 4.3. (a) Üç fazlı jeneratör için örnek model, (b) eşdeğer manyetik devre modeli

76 49

77 50 Amper Kanunu uygulanırsa; Fraday Kanunu uygulanırsa; Üç fazlı jeneratör modeli için bulunan manyetik akı ifadesi tek fazlı jeneratöre göre farklıdır. Tek fazlı ve üç fazlı jeneratörde, birebir aynı nüve ve bobin yapısı kullanıldığından, yine aynı nüve ve bobin kesiti kullanılarak (Bkz. Şekil 4.1), üç fazlı jeneratör modeli için; Bobinin yaklaşık indüktansı; Moment ifadesi ise; Şekil 4.4 te üç fazlı jeneratörün eş değer devre modeli gösterilmiştir.

78 51 Şekil 4.4. Üç fazlı jeneratörün eş değer devre modeli Bir fazın toplam indüktansı: Şekil 4.5 te üç fazlı jeneratörün tek faz eş değer devresi gösterilmiş olup bu devreye göre denklemler oluşturulmuştur. Şekil 4.5. Üç fazlı jeneratörün tek fazı için eş değer devre modeli

79 52 Bir fazda seri bağlı 8 adet bobin bulunduğundan, faz başına indüklenen gerilim; Üç fazlı jeneratörün çıkış gücü 4.3. Jeneratörlerin Kayıpları ve Verim Hesabı Bir jeneratörün kayıpları genel olarak sargı kayıpları (bakır kaybı), nüve (demir) kayıpları ve mekanik kayıplardan meydana gelir [14,24,48,115] Stator bakır kaybı Düşük hızlarda işletilen bir jeneratörde, kaybın büyük bir kısmı statorun bakır kayıplarından kaynaklanmaktadır. Bakır kaybı, Joule kayıpları olarak da adlandırılmakta olup şu şekilde hesaplanır [10] Nüve (demir) kayıpları Jeneratörde sürekli mıknatıslar kullanıldığından, mıknatıslardaki manyetik alan kaybı ihmal edilebilir seviyededir [24]. Nüve kayıpları pratikte, kullanılan nüvenin malzeme ve yapı özelliğine göre Watt/kg olarak verilir [11,105]. Nüve kayıpları, histerisiz kayıpları, girdap kayıpları ve anormal kayıplar (anomalous loss) olarak adlandırılan üç bileşenden oluşur [11,23,28,34,41,116,117]. Bu durumda nüve kayıpları şu şekilde formülize edilir:

80 53 Nüveli makinelerde demir kayıplarına ek olarak, kaçak yük kayıpları (stray load loss) kayıplar da mevcuttur. Düzensiz olan bu kayıpları tam bir doğrulukla hesaplamak oldukça zordur. Genel olarak 10 kw a kadar olan makineler için 0,03 ile 0,05 arasında bir katsayı ( kullanılarak çıkış gücüne oranla ve şu şekilde hesaplanır [11]: Mekanik kayıplar Mekanik kayıplar, rotorun yataklanmasında kullanılan rulmanlardan, sürtünmeden ve vantilasyon kayıplarından kaynaklanmaktadır. Eksenel akılı makineler için sürtünme kayıpları; dönen kapalı diskler için sürtünme faktörü kullanılarak hesaplanabilir. Bilinen bir sürtünme faktörüne (kf) bağlı olarak, eksenel akılı makineler için sürtünme momenti aşağıdaki gibi hesaplanabilir [98]: ( ) Yatak kayıpları; yatak üreticisi ya da analitik eşitlikler tarafından sağlanan hesaplama araçları kullanılarak hesaplanabilir [98].

81 54 Mekanik kayıpların toplamı P mek olarak ifade edilirse, jeneratörün toplam kayıpları: Verim Jeneratörlerin verimi güç kayıplarıyla tanımlanır ve kayıplar tespit edildikten sonra, verim şu şekilde hesaplanır [11,41,99]: Burada, jeneratörün çıkış gücü olup şu şekilde hesaplanır [11,100,118,119]: Tasarlanan jeneratörlerde, hava aralığının iyi ayarlanması verim ve mekanik kayıplar açısından son derece önemlidir. Hava aralığı gereğinden küçük yapılırsa mıknatıs ve nüve arasındaki aşırı çekim kuvvetinden dolayı rotor hareket edemez hale gelebilir. Hava aralığı fazla büyük yapılırsa mıknatıslar gerekli manyetik akıyı sağlayamazlar [27]. Bu da doğrudan jeneratörün çıkış gücünü ve verimini etkiler. Maksimum çıkış gücü, jeneratör yükünün jeneratörün empedansına denk olduğu durumda elde edilir Vuruntu Momenti (Cogging Torque) Vuruntu momenti, rotordaki sürekli mıknatıslardan kaynaklanan elektromotor kuvvet harmonikleri ile statordaki oluklardan kaynaklanan manyetik iletkenlik harmoniklerinin etkileşiminden ortaya çıkar. [9,19,26,41,60,101,120]. Diğer bir ifadeyle, sürekli mıknatısın nüveden ayrılmaya karşı gösterdiği direnci ifade eder. Vuruntu momenti, stator sargılarındaki akım ve gerilim değerlerinden bağımsız olup hava aralığındaki manyetik akı büyüklüğünün karesiyle orantılı olarak değişim gösterir [49,67,72,101]. Vuruntu momenti genel olarak şu şekilde ifade edilebilir:

82 55 Burada, θ rotorun açısal konumunu, hava aralığındaki enerjiyi, hava aralığındaki manyetik akıyı ve R ise hava aralığının relüktansını ifade etmektedir. Vuruntu momenti, sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak, rotorun her bir açısal pozisyonu için hesaplanabilir [11,95] Hava aralığı, vuruntu momentini etkileyen en önemli faktörlerdendir. Şekil 4.6 da, rotorun statora göre farklı dört pozisyonu için meydana gelen vuruntu momentin oluşumu gösterilmiştir. Rotor (a) pozisyonunda iken rotor ile stator arasında maksimum hava aralığı olduğundan vuruntu momenti oluşmamaktadır. Rotor (b) pozisyonunda iken, rotor ile stator arasındaki etkileşim kuvveti maksimum seviyede olduğu için vuruntu momenti da maksimum olur. Rotorun (c) ve (d) pozisyonlarında ise (a) ve (b) pozisyonlarının negatif durumu gerçekleştiğinden, vuruntu momenti negatif yönde maksimum değere ve oradan da tekrar sıfıra ulaşır. Bu durum, rotor döndükçe periyodik olarak devam eder. (a) (b) (c) Şekil 4.6. Vuruntu momentin oluşumu [121] (d)

83 56 Hava aralığındaki relüktans, rotorun hareketine bağlı olarak peryodik bir değişim gösterdiğinden vuruntu momenti de periyodik olarak değişmektedir [67]. Çift hava aralıklı eksenel akılı sürekli mıknatıslı makinelerde vuruntu momenti, hava aralıklarındaki vuruntu momentinin toplamıdır. Bu nedenle rotorların şekli, birbirine göre olan konumları, mıknatısların şekli ve tipleri, hava aralığının miktarı ve durumu, vuruntu momentini önemli derecede etkiler. Tez çalışmasında tasarlanmış olan jeneratörlerde rotor çapları birbirinden farklı olarak tasarlandığından vuruntu momenti minimize edilmeye çalışılmıştır. Sürekli mıknatıslı jeneratörün başlangıç momentinin, vuruntu momentini, histerisiz momentini, rulman ve sürtünme kaynaklı etkilerin tamamını karşılaması gerekir. Aksi halde, özellikle düşük hız uygulamalarında, makinenin ilk hareketi gerçekleşmez [11,49,60,122]. Bilhassa tek fazlı makine uygulamalarında bu durum daha fazla zorluk içerir. Vuruntu momenti, makinede titreşime, akustik gürültüye, ısınmaya ve verimin düşmesine sebep olduğundan, azaltılması için bazı tedbirler alınması gerekmektedir [121,123]. Nüvesiz olarak tasarlanan makinelerde yüksüz durum momenti tamamen yok edilebilir. Ancak makinenin nüvesiz olması, daha fazla mıknatıs kullanımına ve çıkış gücünün olumsuz etkilenmesine sebep olur [46,124]. Sürekli mıknatıslı makinalelerde vuruntu momentini azaltmak için stator oluklarına ya da mıknatıslara eğim verilmesi, mıknatıslara özel şekiller verilmesi ve kaydırılması, yardımcı olukların ya da dişlerin kullanılması, mıknatıs kutbunun optimizasyonu, kesirli sargıların kullanılması gibi birçok teknik uygulanabilir [67]. Şekil 4.7 de, vuruntu momenti azaltma teknikleri gösterilmiştir. Bu tezde ayrıca vuruntu momentin azaltılması için özel bir nüve şekli kullanılmıştır. Belirtilen tekniklerin bazıları doğrudan eksenel akılı sürekli mıknatıslı makinelere uygulanabilir. Fakat bu tekniklerin eksenel makinelere maliyet yönünden etkisi büyük olabilir. Dolayısıyla, düşük maliyet gerektiren ve makinenin çıkış gücünü düşürmeyecek teknikler tercih edilmelidir [120].

84 57 Şekil 4.7. Vuruntu momenti azaltma teknikleri [76] 4.5. Harmonik Analiz Belirli bir frekanstaki periyodik dalga şekilleri kendi frekansının katlarındaki dalgalarının toplamına eşittir. Toplam dalgayı oluşturan sinüs dalgalarının her birine bu durumda harmonik denilmektedir. Şekil 4.8 de temel dalga ve harmonik dalgasının toplamı olan harmonikli sinyal örneği gösterilmiştir. Doğadaki her karmaşık dalga formu farklı genlikteki ve temel frekansın belli katlarındaki frekanslara sahip dalgaların toplamı şeklinde ifade edilebilir. Birinci harmonik, analizi yapılan dalganın kendisi olup temel bileşen olarak adlandırılır. İkinci harmonik, temel bileşenin iki katı frekansa sahip olan dalgadır. Üçüncü harmonik, temel bileşenin üç katı frekansa sahip olan dalga olup nihayetinde n. harmonik, temel bileşenin n katı frekansa sahip olan dalga formudur.

85 58 Şekil 4.8. Temel bileşen ve harmonik sinyali Çizelge 4.1 de, 50 Hz frekansa sahip temel bileşen için örnek harmonik değerleri gösterilmiştir. Çizelge 4.1. Harmonik frekansları 1.Harmonik (Temel Bileşen) 2.Harmonik 3.Harmonik 4.Harmonik 5.Harmonik 6.Harmonik n.harmonik 50 Hz 100 Hz 150 Hz 200 Hz 250 Hz 300 Hz nx50 Hz Toplam harmonik bozulma (THD), harmonik bileşenlerin temel bileşenle kıyaslanmasıdır [126,127]. THD faktörü, Eşitlik 4.62 de ifade edildiği gibi genellikle yüzde olarak ifade edilir [128]. Burada kullanılan değerler etkin değerler olup, bir gerilim dalgası için toplam harmonik bozulma ifadesi: Harmonik bozulma, elektriksel kirliliğin bir göstergesidir. Harmonik bozulmaların toplamı, izin verilen sınırların üstündeyse, elektrik sisteminde, motorlarda, jeneratörlerde ya da cihazlarda ısınmaya, titreşime, gürültüye, moment salınımlarına ve daha birçok olumsuz duruma sebep olur.

86 59 5. JENERATÖRLERİN ÜÇ BOYUTLU SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİYLE (SEY) ANALİZİ Elektrik ve manyetik alanların çözümünde en çok kullanılan yöntem sonlu elemanlar yöntemidir. Sürekli mıknatıslı bir makinenin manyetik analizi, sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak yapılabilir [11,99,128,129]. Sonlu elemanlar yöntemini kullanan birçok paket program mevcuttur. Tercih edilen programda analiz yapılırken, malzemelerin özellikleri ve sınır şartları doğru olarak girildiğinde sistemin manyetostatik, manyetodinamik ya da başka durumlardaki tepkileri önceden belirlenebilir [63,77,130]. Sayısal bir metot olarak üç boyutlu sonlu elemanlar yöntemi, detaylı ve hassas sonuç alınmasını sağlar [71,73,131]. Yöntemi, elektrik makinelerinin tasarımında kullanılmasıyla, manyetik akı bağı, indüklenen gerilimler, akımlar, nüve kayıpları, sargı indüktansları ve manyetik moment gibi daha birçok önemli tasarım parametresinin çok yüksek bir doğrulukla belirlenmesine imkan sağlar [9,132]. Tez çalışmasına konu olan jeneratörler üç boyutlu ve karmaşık bir geometriye sahip olduğundan, analizler için üç boyutlu sonlu elemanlar yöntemi kullanılmıştır. Tasarım ve analizlerin tamamı, üç boyutlu sonlu elemanlar yöntemini kullanan, Ansoft Maxwell paket programı vasıtasıyla gerçekleştirilmiştir. Ansoft Maxwell programı, etkileşimli bir yazılım paketidir. Üç boyutlu elektrostatik, statik manyetik ve girdap akımları problemlerini, sonlu elemanlar yöntemini kullanarak çözmektedir [23,62,75]. Bu program, statik elektrik alanları, kuvvet, moment ve gerilim dağılımları ile yüklerin sebep olduğu kapasitelerin; statik manyetik alanların, statik harici manyetik alanların ve sabit mıknatısların oluşturduğu, kuvvet, moment ve endüktansların hesaplanmasında kullanılır. Doğrusal ve doğrusal olmayan malzemelerin kullanıldığı yapılardaki alanların benzetimlerinin yapılmasında ve ayrıca sıcaklık ile ısı akışı gibi termal büyüklüklerin hesaplanmasında da kullanılmaktadır. Bu program paketi, jeneratörün manyetik analizleri için tüm ihtiyaçlara cevap verebilecek bir programdır.

87 60 Ansoft Maxwell benzetim programı, düzgün olmayan geometrik bölgelerde elektrik veya manyetik alanları belirlemek için, bölgeyi piramide benzeyen çok sayıda dörtyüzlü eleman (tetrahedral) olarak adlandırılan alt bölgelere ayırır [133]. Her dörtyüzlü elemandaki alan ayrı bir polinomla belirlenir. Bu elemanların toplamı sonlu eleman ağı veya basitçe, ağ (mesh) olarak ifade edilir. Program tarafından, çözün için, bir ağ otomatik olarak üretilir ve her model için bir alan çözümü hesaplanır [133]. Bu çözümde stator, rotor ve sargılardaki dörtyüzlü elemanlar kolaylıkla görülebilir. Çözümdeki en temel yapı olan, dört yüzeyli eleman (tetrahedra) Şekil 5.1 de gösterilmiştir. Şekil 5.1. Tedrahedral yapıda üç boyutlu sonlu element [133] Şekil 5.2 de ise benzetim programının akış algoritması gösterilmiştir. Şekil 5.2. Program akış algoritması

88 61 Bu algoritmadan da anlaşılacağı üzere, öncelikle tasarımı ve analizi yapılmak istenen makinenin üç boyutlu yapısı oluşturulur. Bu yapı, benzetim programının gelişmiş özellikleri kullanılarak gerçeğe çok yakın bir şekilde oluşturulabilmektedir. Makine modeli, kartezyen, silindirik veya küresel koordinatların herhangi birinde tasarlanabilmektedir. Makinenin üç boyutlu modeli oluşturulduktan sonra, model üzerinde materyal tanımlaması yapılır. Örneğin, kullanılan iletkenin, mıknatısın, nüve malzemesinin, yalıtkanın ve daha birçok öğenin özellikleri tanımlanabilmektedir. Makine modeli, yüklü veya yüksüz çalışma koşullarında analiz edilebilmekte, hatta bilgisayar ortamında tasarlanan sürücü ve yük devreleri gibi devreler, analiz programına entegre edilebilmektedir. Manyetik alan analizinde kullanılan sonlu elemanlar yöntemi, aşağıda belirtilen Maxwell eşitliklerinden yararlanır [34]. Sistem, statik manyetik alanları iki adımda çözer: Modelin akım akışını simüle eder ve akım yoğunluğu hesaplar. Akım yoğunluğuna göre alanını hesaplar. Harici alanlar ise bir kaynak gibi sınır koşullarında belirtilir. J akım yoğunluğu bir potansiyel fark için oluşturulmuş elektrik alanıyla orantılıdır.

89 62 Burada; E, Elektrik alanı (V/m), σ malzemenin iletkenliği (siemens/m), potansiyelidir. elektrik Akım yoğunluğunun hesaplanmasından sonra statik manyetik alan çözücü, Ampere Kanununu ve Maxwell denklemlerini kullanarak Eşitlik 5.6 ve 5.7 deki ifadeleri çözer. Burada, (x,y,z) manyetik alan şiddeti (A/m), (x,y,z) manyetik akı yoğunluğu (T), (x,y,z) önceden hesaplanmış A/m 2 yoğunluğu Eşitlik 5.8 ile hesaplanır. olarak akım yoğunluğudur. Manyetik akı Burada eşittir. (x,y,z) bağıl geçirgenlik, µ o boşluğun geçirgenliğidir ve 4π10-7 H/m ye Sistem, Lorentz kuvvetini kullanarak x,y,z eksenleri etrafındaki momenti hesaplarken Eşitlik 5.9 daki ifadeyi kullanır [22]. ( ) Burada r dönüş ekseninde yer değiştirme vektörüdür, J Akım yoğunluğu, B manyetik akı yoğunluğudur [133]. Manyetostatik analizle, makineye ait manyetik akı dağılımı, manyetik kuvvet, moment, indüktans, akım yoğunluğu ve daha birçok özellik hesaplanabilmektedir.

90 63 Manyetodinamik analiz vasıtasıyla da gerilim, akım, nüve kayıpları, girdap kayıpları, sargı kayıpları gibi tüm elektriksel ve manyetik özellikler dinamik olarak analiz edilebilmektedir [108]. Dinamik analizde, makine modeline doğrusal, dairesel veya açısal türden mekanik olarak hareket tanımı yapılabilmektedir. Yine, paket program vasıtasıyla, modelde parametrik analizler yapılarak modelin optimizasyonu gerçekleştirilebilmektedir. Üç boyutlu sonlu elemanlar yöntemiyle makine modeli tasarlamak ve analiz etmek, bize makinenin gerçek yapısı, işleyişi ve tepkileri konusunda çok iyi fikir edinmemizi sağlar. Bu yöntemle makine modeli üzerinde optimizasyon çalışmaları yapılarak her türlü değişikliğin makineye olan etkisi gözlemlenebilir. Böylece laboratuar çalışmaları için daha az zaman ve daha az maliyet harcanmış olur. Ancak bu tür yöntemlerin, gerçek uygulama olmadan kesin sonuç vermesinin zor olduğu da unutulmamalıdır. Bu tür yöntemler gerçek koşulları ve gerçek tepkileri mutlak doğrulukla sağlayamaz. Ancak, çok yakın bir yaklaşım sağlayabilir. Sonlu elemanlar yönteminde, analizi yapılacak model, ağ yapıları (mesh) tanımlanarak analiz edilir [43]. Şekil 5.3 te ve Şekil 5.4 te benzetim programının, analiz için, jeneratör yapısına uyguladığı ağ yapısı gösterilmiştir. Şekil 5.3. Simülsayon programı tarafından 3 fazlı jeneratörün bütünü için oluşturulan örnek ağların (mesh) benzetim programındaki yapısı.

91 64 Şekil 5.4. Benzetim programı tarafından bobin, nüve ve mıknatıslar için oluşturulan ağlar (mesh) Benzetim programı vasıtasıyla yapılan çözümün daha doğru ve hassas olması için, mesh yapıları çok küçük boyutlarda ayarlanabilmektedir. Ancak, mesh yapısı küçültüldükçe analizin gerçekleşmesi daha fazla zaman almakta, bilgisayar işlem yapmakta zorlanmakta ve çözümün bilgisayar belleğinde kapladığı yer önemli derecede artmaktadır [45,134]. Bu da sağlıklı bir analiz için iyi özelliklere sahip bilgisayarların kullanımını zorunlu kılmaktadır. Analizi yapılacak modelde uygun bir ağ yapısı oluşturmak ve modeldeki tüm gereksiz detayları kardırmak, analiz süresini kısalmaktadır. Ancak modelin ağ yapısındaki eleman sayısını aşırı azaltmak ya da ağ elemanlarını aşırı büyüklükte atamak, analizin yanlış sonuç vermesine yol açar. Tez çalışması için analizi yapılan tek fazlı jeneratörün çözümü toplam adet, üç fazlı jeneratörün analizi ise toplam adet sonlu eleman (mesh) kullanılarak yapılmıştır. Jeneratörlerin her bir manyetodinamik çözümü, özellikleri itibariyle iyi sayılabilecek bir bilgisayarla, yaklaşık 19 saat süre almıştır. Her bir benzetim bilgisayarın hafızasında yaklaşık 17 Gb yer kaplamıştır.

92 65 6. ÜÇ FAZLI JENERATÖRÜN BENZETİM SONUÇLARI 6.1. Üç Fazlı Jeneratörün Manyetostatik Analizi ve Benzetim Sonuçları Üç fazlı jeneratörün üç boyutlu geometrisi ve tüm özellikleri benzetim programında oluşturularak, programın manyetostatik çözüm paketi kullanılarak analizler gerçekleştirilmiştir. Manyetostatik çözüm tipi, jeneratörün zamana ve harekete bağlı olmadan statik durumdaki manyetik analizinin yapılmasını sağlamaktadır Üç fazlı jeneratörün manyetik akı dağılımı ve benzetim sonuçları Manyetostatik analizler, jeneratörde herhangi bir hareket bulunmadığı durum için yapılır. Rotorun hareketsiz ve başlangıç konumundaki durumu için üç fazlı jeneratörün bütün nüvelerinde ve mıknatıslarında oluşan manyetik akı yoğunluğu (B) Şekil 6.1 de gösterilmiştir. Mıknatısların tam olarak denk geldiği nüvelerde manyetik akının yoğunlaştığı görülmektedir. Rotor döndükçe mıknatıslara denk gelen her bir nüvede manyetik akı yoğunlaşmaktadır. Şekil 6.1. Üç fazlı jeneratörde oluşan manyetik akı yoğunluğu

93 66 Şekil 6.2 de ise jeneratörün bütün nüvelerinde oluşan manyetik akı yoğunluğu değişik bir açıdan gösterilmiştir. Mıknatısların tam olarak denk geldiği nüvelerdeki manyetik akı yoğunluğu daha net olarak görülmektedir. Nüvelerde ortalama 0,8 T civarında bir manyetik akı yoğunluğu meydana gelmektedir. Şekil 6.2. Üç fazlı jeneratörün nüvelerinde oluşan manyetik akı yoğunluğu Şekil 6.3 te iki nüveyi dikey olarak kesen bir düzlem vasıtasıyla nüvelerin iç yapılarında oluşan manyetik akı yoğunluğu gösterilmiştir. Şekil 6.3. İki ayrı nüvenin merkezinde oluşan manyetik akı yoğunluğu Şekil 6.4 ve Şekil 6.5 te jeneratörün hava aralıklarındaki manyetik akı yoğunlukları (B) dağılımı ayrı ayrı gösterilmiştir. Şekil 6.4 te büyük çaplı olan rotor (Rotor-1) ile

94 67 stator arasındaki, Şekil 6.5 te ise küçük çaplı olan rotor (Rotor-2) ile stator arasındaki hava aralığında oluşan manyetik akı yoğunluğu (B) gösterilmiştir. Şekil 6.4. Rotor-1 ve stator arasında kalan hava aralığındaki manyetik akı yoğunluğu Rotor-1 de mıknatısların birbirine olan uzaklıkları Rotor-2 dekine göre daha fazla olduğundan, Rotor-1 ile stator arasında bulunan hava aralığında daha az manyetik akı yoğunluğu görülmektedir. Rotor-2 ile stator arasındaki hava aralığında ise manyetik akı yoğunluğu daha fazladır. Şekil 6.5.Rotor-2 ve Stator arasında kalan hava aralığındaki manyetik akı yoğunluğu

95 Üç fazlı jeneratörün vuruntu momenti (cogging torque) Vuruntu momenti manyetostatik analiz yöntemiyle hesaplanır. Bunun için, benzetim programında bir dizi parametrik analiz yapmak gerekmektedir. Şekil 6.6 da, üç fazlı jeneratörün analiz sonucunda elde edilen vuruntu moment grafiği gösterilmiştir. Şekil 6.6. Üç fazlı jeneratörün vuruntu moment grafiği Benzetim programında, rotorun konumu başlangıç konumundan itibaren 30 derecelik konumuna kadar birer derecelik adımlarla değiştirilerek her adım için vuruntu momenti hesaplatılmıştır. Sonuç olarak Eşitlik 4.60 ve 4.62 de ifade edildiği gibi (Bkz. Şekil 4.6) peryodik olarak değişen bir moment görülmüştür. Vuruntu momentin tepe değeri yaklaşık 0,45 Nm olarak hesaplanmış ve moment değeri her bir peryodunu rotorun 7,5 derecelik konum değişikliğinde tamamlamaktadır. Üç fazlı jeneratörde tüm nüveler aynı anda tüm mıknatıslara denk gelmemektedir. Yani bazı nüveler mıknatıslara tam olarak denk gelirken bazı nüveler de mıknatıslara denk gelmemektedir (Bkz. Şekil.6.1). Bu durum jeneratörün vuruntu momentini önemli derecede azaltmaktadır. Tek fazlı jeneratörde ise tüm nüveler aynı anda mıknatıslarla birebir denkleşmektedir. Dolayısıyla üç fazlı jeneratörde rotor hareket ederken mıknatıslar ve nüveler bir birinden daha koyla ayrılır. Ancak, tek fazlı jeneratörde ise bu ayrılma daha zor olmaktadır. Ayrıca, üç fazlı jeneratörün mıknatısları tek fazlı jeneratöre göre hacim olarak daha küçüktür. Bu iki özellikten dolayı üç fazlı jeneratörün vuruntu momenti tek fazlı jeneratörün vuruntu momentinden daha azdır.

96 Üç fazlı jeneratörün Manyetodinamik Analizi ve Benzetim Sonuçları Üç fazlı jeneratör, tüm bileşenleriyle benzetim programı vasıtasıyla tasarlanmış ve gerekli tüm parametreler oluşturulmuştur. Jeneratörün değişik rotor hızlarındaki tepkileri, jeneratörün yüksüz ve yüklü durumu için zamana bağlı olarak benzetim programının geçici çözüm tipi kullanılarak analiz edilmiştir. Geçici çözüm tipinde, zamana bağlı olarak manyetodinamik analiz yapılabilmektedir Üç fazlı jeneratörün manyetik akı benzetimi Şekil 6.7 de, üç fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızı ve yüksüz durumu için manyetik akısı gösterilmiştir. Oluşan manyetik akının tepe değeri yaklaşık 22 mwb olup, akının üç fazlı olduğu görülmektedir. Bu değerler, bir nüvenin iki ucuna sarılmış her bir bobin halkasından geçen manyetik akının değerini ifade etmektedir. Şekil 6.7. Üç fazlı jeneratörün manyetik akı grafiği (rotor hızı=300 d/dk) Şekil 6.8 de, üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızı ve yüksüz durumu için manyetik akısı gösterilmiştir. Manyetik akının değeri rotor hızına göre değişmemektedir. Çünkü manyetik akının kaynağı sabit mıknatıslar olup sabit miktarda manyetik akı sağlamaktadırlar. Ancak, rotor hızı arttığından manyetik akının değişim hızı da artmıştır.

97 70 Şekil 6.8. Üç fazlı jeneratörün manyetik akı grafiği (rotor hızı=1000 d/dk) Mıknatıslar, rotorla beraber dairesel olarak döndüklerinden, nüvelerden sinüzoidal değişime sahip manyetik bir akı geçer. Jeneratör tasarımı, geometrik ve elektriksel olarak üç faza uygun yapıldığından oluşan manyetik akı da üç fazlıdır (Şekil ) Üç fazlı jeneratörün gerilim benzetimi Şekil 6.9 da, üç fazlı jeneratörün yüksüz ve 300 d/dk lık rotor hızı sonucu ürettiği gerilimin, analiz sonucu oluşan grafiği gösterilmiştir. VA, VB, VC, faz gerilimlerini göstermektedir. Çıkış geriliminin maksimum değeri yaklaşık 40 V tur. Şekil 6.9. Üç fazlı jeneratörün yüksüz durum çıkış gerilimi (rotor hızı=300 d/dk)

98 71 Şekil 6.10 da, üç fazlı jeneratörün yüksüz ve 500 d/dk lık rotor hızı sonuçu ürettiği gerilimin, analiz sonucu oluşan grafiği gösterilmiştir. Çıkış geriliminin maksimum değeri yaklaşık 68 V tur. Şekil Üç fazlı jeneratörün yüksüz durum çıkış gerilimi (rotor hızı=500 d/dk) Şekil 6.11 de ise üç fazlı jeneratörün yüksüz ve 1000 d/dk lık rotor hızı sonuçu ürettiği gerilimin, analiz sonucu oluşan grafiği gösterilmiştir. Şekil Üç fazlı jeneratörün yüksüz durum çıkış gerilimi (rotor hızı=1000 d/dk) Rotor hızı arttıkça, manyetik akının değişim frekansı da artmıştır. Şekil 6.12 de, üç fazlı jeneratörün 300, 500 ve 1000 d/dk lık rotor hızlarında yüksüz durum için ürettiği gerilimin değişimi gösterilmiştir. Faraday kanununa göre indüklenen gerilim, manyetik akının değişim hızına dolayısıyla rotorun hızına bağlı olarak doğrusal artmalıdır (Eşitlik 4.47). Grafiğe göre de rotor hızı arttıkça jeneratörün ürettiği

99 72 gerilimin arttığı görülmektedir. 300 d/dk rotor hızında maksimum 40 V gerilim indüklenirken 1000 d/dk rotor hızında maksimumu 136 V gerilim indüklenmiştir. Şekil Üç fazlı jeneratörün yüksüz durum çıkış geriliminin rotor hızına göre değişimi Şekil 6.13 te, üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk lık rotor hızında ve 40 ohm omik yükle yüklenmiş durumdaki yük gerilimi gösterilmiştir. Şekil Üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızı ve 40 ohm omik yük için yük gerilimi değişimi Şekil 6.14 te, üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk lık rotor hızında 10 ohm omik yükle yüklenmiş durumdaki yük gerilimi gösterilmiştir. Jeneratör geriliminin kararlı duruma geçişi grafikte görülmektedir. Buna göre 40 ohm yük durumuna göre yük geriliminde düşme olduğu görülmüştür.

100 73 Şekil Üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızı ve 10 ohm omik yük için yük gerilimi değişimi Şekil 6.15 te, üç fazlı jeneratörün 300, 500, 1000 d/dk lık rotor hızları için değişik yük değerleriyle yüklenmesi sonucu elde edilen yük geriliminin değişim grafiği gösterilmiştir. Şekil Üç fazlı jeneratörün geriliminin rotor hızı ve yüke göre değişimi 300 d/dk rotor hızında, jeneratörün çıkış geriliminin tepe değeri 10 ohm yük için yaklaşık 24 V iken 40 ohm yük için ise yaklaşık 40 V tur. 500 d/dk rotor hızında, geriliminin tepe değeri 10 ohm yük için yaklaşık 35 V ve 40 ohm yük için ise yaklaşık 64 V tur d/dk lık rotor hızında ise çıkış geriliminin tepe değeri 10 ohm yük için yaklaşık 49 V ve 40 ohm yük için ise yaklaşık 106 V tur. Buna göre, rotor hızı arttıkça jeneratör daha fazla gerilim üretmektedir. Ancak; jeneratör elektriksel olarak yüklendikçe gerilim düşümü olmaktadır.

101 Üç fazlı jeneratörün akım benzetimi Şekil 6.16 da, üç fazlı jeneratörün 500 d/dk lık rotor hızında 40 ohm omik yükle yüklenmiş durumdaki yük akımı gösterilmiştir. Şekil Üç fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızı ve 40 ohm yüke göre akım değişimi Şekil 6.17 de, üç fazlı jeneratörün 500 d/dk lık rotor hızında 10 ohm omik yükle yüklenmiş durumdaki yük akımı gösterilmiştir. 40 ohm yük durumuna göre yük akımında artış görülmüştür. Şekil Üç fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızı ve 10 ohm yüke göre akım değişimi. Şekil 6.18 de, üç fazlı jeneratörün 300, 500, ve 1000 d/dk lık rotor hızları için değişik yük değerleriyle yüklenmesi sonucu elde edilen yük akımının değişim grafiği

102 75 gösterilmiştir. 300 d/dk rotor hızında, yükün faz akımının etkin değeri, 10 ohm yük için yaklaşık 1,4 A ve 40 ohm yük için ise yaklaşık 0,7 A dir. 500 d/dk rotor hızında, yükün faz akımının etkin değeri, 10 ohm yük için yaklaşık 2 A ve 40 ohm yük için ise yaklaşık 1 A dir d/dk rotor hızında ise yükün faz akımının etkin değeri, 10 ohm yük için yaklaşık 2,8 A ve 40 ohm yük için ise yaklaşık 1,9 A dır. Buna göre, rotor hızı ve jeneratörün elektriksel yükü arttıkça jeneratör akımı da artmaktadır. Şekil Üç fazlı jeneratörün faz akımının rotor hızı ve yüke göre değişimi Üç fazlı jeneratörün nüve ve bakır kaybı benzetimi Şekil 6.19 da, üç fazlı jeneratörün 300 d/dk lık rotor hızı ve yüksüz durumu için nüve kaybı grafiği gösterilmiştir. Şekil Üç fazlı jeneratörün yüksüz durumu için nüve kaybı (rotor hızı 300 d/dk)

103 76 Jeneratör, gecici durumdan karalı duruma geçtikten sonra, nüve kaybı yaklaşık olarak 450 mw mertebesinde sürekli olarak dalgalanmaktadır. Şekil 6.20 de, üç fazlı jeneratörün 300 d/dk lık rotor hızı ve yüksüz durumu için bakır kaybı grafiği gösterilmiştir. Aynı benzetimde elde edilen bakır kaybının ise 0,3 mw civarında olduğu görülmektedir. Şekil Üç fazlı jeneratörün yüksüz durumu için bakır kaybı (rotor hızı 300 d/dk) Şekil 6.21 de, üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk lık rotor hızı ve yüksüz durumu için nüve kaybı grafiği gösterilmiştir. Şekil Üç fazlı jeneratörün yüksüz durumu için nüve kaybı (rotor hızı 1000 d/dk)

104 77 Buna göre, 300 d/dk rotor hızında 0,45 W civarında olan nüve kaybı 1000 d/dk rotor hızında 2,5 W a çıkmışır. Çünkü rotor hızı arttığından manyetik akının değişimi de artmakta bu da nüve kayıplarını arttırmaktadır. Şekil 6.22 de, üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk lık rotor hızı ve yüksüz durumu için bakır kaybı grafiği gösterilmiştir. Benzer şekilde, 300 d/dk rotor hızında 0,3 mw civarında olan bakır kaybı 1000 d/dk rotor hızında 0,7 mw a çıkmışır. Bu da manyetik akının hızlı değişiminin belli bir miktarda bobinler üzerinde artan akım yoğunluğunda bulunduğu sonucunu bize gösterir. Şekil Üç fazlı jeneratörün yüksüz durumu için bakır kaybı (rotor hızı 1000 d/dk) Şekil 6.23 te, üç fazlı jeneratörün değişk rotor hızlarında yüksüz durum için nüve ve bakır kaybının değişimi tek bir grafikte gösterilmiştir. Buna göre; jeneratör yüksüz durumdayken nüve kaybı bakır kaybından daha fazladır. Çünkü jeneratör yüksüz durumdayken stator sargılarından çok az bir akım geçer ki bu da sargıların iç dirençlerinden kaynaklanan bir akımdır. Rotor hızı arttıkça jeneratörün nüve kayıpları da artmaktadır. Bunun sebebi de rotor hızına bağlı olarak frekansın artmasıdır. Frekansın artması da doğal olarak nüve kayıplarını arttırmaktadır (Eşitlik 4.51, 4.52 ve 4.53). Ancak buna rağmen jeneratörde meydana gelen nüve kayıpları oldukça düşük bir miktardadır.

105 78 Şekil Üç fazlı jeneratörün değişik rotor hızlarında yüksüz durumu için nüve ve bakır kaybı Şekil 6.24 te, üç fazlı jeneratörün 300 d/dk lık rotor hızı ve 10 ohm yüklü durumu için nüve kaybı grafiği gösterilmiştir. Şekil Üç fazlı jeneratörün 10 ohm yüklü durumu için nüve kaybı (rotor hızı 300 d/dk) Şekil 6.25 te, üç fazlı jeneratörün 300 d/dk lık rotor hızı ve 10 ohm yüklü durumu için bakır kaybı grafiği gösterilmiştir.

106 79 Şekil Üç fazlı jeneratörün 10 ohm yüklü durumu için bakır kaybı (rotor hızı 300 d/dk) Şekil 6.26 da, üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk lık rotor hızı ve 10 ohm yüklü durumu için nüve kaybı grafiği gösterilmiştir. Şekil Üç fazlı jeneratörün 10 ohm yüklü durumu için nüve kaybı (rotor hızı 1000 d/dk) Şekil 6.27 de, üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk lık rotor hızı ve 10 ohm yüklü durumu için bakır kaybı grafiği gösterilmiştir.

107 80 Şekil Üç fazlı jeneratörün 10 ohm yüklü durumu için bakır kaybı (rotor hızı 1000 d/dk) Şekil 6.28 de, üç fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızı ve değişik değerdeki yüklü durumları için nüve ve bakır kaybının değişimi tek bir grafikte gösterilmiştir. Buna göre; 300 d/dk rotor hızında, jeneratör yüklendikçe bakır kaybı da doğal olarak artmakta ve maksimum değeri yaklaşık 11 W olmaktadır. Nüve kaybı ise ihmal edilebilecek kadar az miktardadır. Şekil Üç fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızında değişik yük değerleri için nüve ve bakır kaybı Şekil 6.29 da, üç fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızı ve değişik değerdeki yüklü durumları için nüve ve bakır kaybının değişimi tek bir grafikte gösterilmiştir. Buna göre; 500 d/dk rotor hızında, jeneratör yüklendikçe bakır kaybı artmakta ve maksimum değeri yaklaşık 22 W olmaktadır. Nüve kaybı ise ihmal edilebilecek kadar az miktardadır.

108 81 Şekil Üç fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızında değişik yük değerleri için nüve ve bakır kaybı Şekil 6.30 da, üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızı ve değişik değerdeki yüklü durumları için nüve ve bakır kaybının değişimi tek bir grafikte gösterilmiştir. Buna göre; 1000 d/dk rotor hızında, jeneratör yüklendikçe bakır kaybı artmakta ve 10 ohm yükdeğerinde maksimum değeri olan 45 W a ulaşmaktadır. Nüve kaybı ise yaklaış 3 W civarındadır. Şekil Üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızında değişik yük değerleri için nüve ve bakır kaybı Şekil 6.31 de, üç fazlı jeneratörün 300, 500 ve 1000 d/dk rotor hızları için değişik yük değerlerindeki nüve kayıpları tek grafikte gösterilmiştir. 300 d/dk rotor hızında, nüve kaybı, 10 ohm yük için yaklaşık 0,6 W ve 40 ohm yük için ise yaklaşık 0,7 W tır. 500 d/dk rotor hızında, nüve kaybı, 10 ohm yük için yaklaşık 0,9 W ve 40 ohm

109 82 yük için ise yaklaşık 1,2 W tır d/dk rotor hızında ise nüve kaybı, 10 ohm yük için yaklaşık 1,7 W ve 40 ohm yük için ise yaklaşık 2,4 W tır. Şekil Üç fazlı jeneratörün nüve kaybının rotor hızı ve yüke göre değişimi Şekil 6.32 de, üç fazlı jeneratörün 300, 500 ve 1000 d/dk rotor hızları için değişik yük değerlerindeki bakır kayıpları tek grafikte gösterilmiştir. 300 d/dk rotor hızında, bakır kaybı, 10 ohm yük için yaklaşık 11 W ve 40 ohm yük için ise yaklaşık 3 W tır. 500 d/dk rotor hızında, bakır kaybı, 10 ohm yük için yaklaşık 23 W ve 40 ohm yük için ise yaklaşık 7 W tır d/dk rotor hızında ise bakır kaybı, 10 ohm yük için yaklaşık 47 W ve 40 ohm yük için ise yaklaşık 18 W tır. Şekil Üç fazlı jeneratörün bakır kaybının rotor hızı ve yüke göre değişimi Şekil 6.33 te, üç fazlı jeneratörün 300, 500 ve 1000 d/dk rotor hızları için değişik yük değerlerindeki toplam nüve ve bakır kayıpları tek grafikte gösterilmiştir. Buna göre;

110 83 Şekil Üç fazlı jeneratörün toplam nüve ve bakır kaybının rotor hızı ve yüke göre değişimi Rotor hızı arttıkça, jeneratörün toplam nüve ve bakır kaybı da artmaktadır. Rotor hızının artması frekansı arttırmaktadır. Nüve kayıpları da frekansa bağlı olarak artmaktadır. (Eşitlik 4.51, 4.52 ve 4.53). Jeneratörün yüklü durumu için nüve kayıpları bakır kaybına oranla çok az miktardadır. Jeneratör yüklendikçe stator sargılarından geçen akım da artmaktadır. Bu sebeple jeneratörün bakır kayıpları da yükle beraber artmaktadır (Eşitlik 4.49).

111 84 7. TEK FAZLI JENERATÖRÜN BENZETİM SONUÇLARI 7.1. Tek Fazlı Jeneratörün Manyetostatik Analizi ve Benzetim Sonuçları Tek fazlı jeneratörün manyetik akı dağılımı ve benzetim sonuçları Manyetostatik analiz, jeneratörün kısımlarında herhangi bir hareket olmadan statik haldeki çözümünü verir. Mıknatıslar, nüvenin kollarından birinin ucuna N kutbu, diğer kolunun ucuna S kutbu gelecek şekilde yerleştirilmiştir. Böylece, mıknatısın oluşturduğu manyetik akı nüve üzerinden N kutbundan S kutbuna doğru yönelmektedir. Şekil 7.1 de, tek fazlı jeneratörün tümünde oluşan manyetik akı dağılımı gösterilmiştir. Nüvedeki maksimum akı yoğunluğu simülasyona göre yaklaşık 1 T dir. Şekil 7.1. Tek fazlı jeneratörün manyetik akı dağılımı Şekil 7.2 de bir nüve ve nüvenin uçları hizasında yer alan mıknatıs çifti için manyetik akı dağılımı nüvenin ön ve yan cephesi olmak üzere iki farklı açıdan gösterilmiştir.

112 85 Şekil 7.2. Bir nüve ve mıknatıs çifti için manyetik akının dağılımı Şekil 7.3 ve Şekil 7.4 te, tek fazlı jeneratörün hava aralıklarındaki manyetik akı yoğunlukları (B) dağılımı ayrı ayrı gösterilmiştir. Şekil 7.3 te büyük çaplı olan rotor (Rotor-1) ile stator arasındaki, Şekil 7.4 te ise küçük çaplı olan rotor (Rotor-2) ile stator arasındaki hava aralığında oluşan manyetik akı yoğunluğu (B) gösterilmiştir. Rotor-1 de mıknatısların birbirine olan uzaklıkları Rotor-2 dekine göre daha fazla olduğundan, Rotor-1 ile stator arasında bulunan hava aralığında daha az manyetik akı yoğunluğu görülmektedir. Rotor-2 ile stator arasındaki hava aralığında ise manyetik akı yoğunluğu daha fazladır. Şekil 7.3. Rotor-1 ve stator arasında kalan hava aralığındaki manyetik akı yoğunluğu

113 86 Şekil 7.4.Rotor-2 ve Stator arasında kalan hava aralığındaki manyetik akı yoğunluğu Tek fazlı jeneratörde, üç fazlı jeneratöre göre farklı olarak, aynı anda, her bir nüvenin uçlarına birer mıknatıs denk gelmekte olup hiçbir nüve yada mıknatıs boşta kalmamaktadır. Bu nedenle tüm nüvelerde aynı miktarda manyetik akı dağılımı meydana gelmektedir. Şekil 7.5 te ise dikey olarak nüvelerin tam ortasına yerleştirilen bir düzlem vasıtasıyla nüvelerin merkesinde meydana gelen manyetik akı dağılımı gösterilmiştir. Buna göre nüvelerin merkezlerindeki manyetik akı yoğunluğu yaklaşık 0,83 T civarındadır. Şekil 7.5. Nüvelerin merkezlerinde oluşan manyetik akı yoğunluğu

114 Tek fazlı jeneratörün vuruntu momenti (cogging torque) Şekil 7.6 da, tek fazlı jeneratörün analiz sonucunda elde edilen vuruntu moment grafiği gösterilmiştir. Benzetim programında, rotorun konumu, başlangıç konumundan itibaren 90 derecelik konumuna kadar birer derecelik adımlarla değiştirilerek her adım için vuruntu momenti hesaplatılmıştır. Sonuç olarak Eşitlik 4.60 ve 4.62 de ifade edildiği gibi (Bkz. Şekil 4.6) preyodik olarak değişen bir moment görülmüştür. Vuruntu momentin tepe değeri yaklaşık 0,65 Nm olarak hesaplanmış ve moment sinyali her bir peryodunu rotorun 30 derecelik konum değişikliğinde tamamlamaktadır. Şekil 7.6. Tek fazlı jeneratörün vuruntu moment grafiği Tek fazlı jeneratörde, üç fazlı jeneratörden farklı olarak, nüve ve kutup sayısı eşit olup bu sayı 12 dir. Yani nüvenin mıknatıs kutbundan ayrılması rotorun 30 derecelik konum değiştirmesine denk gelmektedir. Bu yüzden vuruntu momentin her bir peryodu rotorun 30 derecelik konum değişikliğine denk gelmektedir. Tek fazlı jeneratörde kullanılan mıknatıslar üç fazlı jeneratörün mıknatıslarından hacim olarak daha büyüktür. Ayrıca tek fazlı jeneratörde tüm nüveler aynı anda mıknatısların tamamına denk gelmektedirler. Bu yüzden rotor hareketi esnasında nüveler mıknatıslardan daha zor ayrılmaktalar. Dolayısıyla tek fazlı jeneratörün vuruntu momenti üç fazlı jeneratörün vuruntu momentinden daha yüksektir.

115 Tek Fazlı Jeneratörün Manyetodinamik Analizi ve Benzetim Sonuçları Tek fazlı jeneratör, tüm bileşenleriyle benzetim programı vasıtasıyla tasarlanmış ve gerekli tüm parametreler oluşturulmuştur. Jeneratörün değişik rotor hızlarındaki tepkileri, jeneratörün yüksüz ve yüklü durumu için zamana bağlı olarak benzetim programının geçici çözüm paketi kullanılarak analiz edilmiştir Tek fazlı jeneratörün manyetik akı benzetimi Şekil 7.7 de, tek fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızı ve yüksüz durumu için manyetik akısı gösterilmiştir. Oluşan manyetik akının tepe değeri yaklaşık 40 mwb dir. Bu değerler, bir nüvenin iki ucuna sarılmış her bir bobin halkasından geçen manyetik akının değerini ifade etmektedir. Şekil 7.7. Tek fazlı jeneratörün manyetik akı grafiği (rotor hızı=300 d/dk) Şekil 7.8 de, tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızı ve yüksüz durumu için manyetik akısı gösterilmiştir. Manyetik akının değeri rotor hızına göre değişmemektedir. Çünkü manyetik akının kaynağı sabit mıknatıslar olup sabit miktarda manyetik akı sağlamaktadırlar.ancak, rotor hızı arttığından manyetik akının değişim hızı da artmıştır.

116 89 Şekil 7.8. Tek fazlı jeneratörün manyetik akı grafiği (rotor hızı=1000 d/dk) Tek fazlı jeneratörün gerilim benzetimi Şekil 7.9 da, tek fazlı jeneratörün yüksüz ve 300 d/dk lık rotor hızı sonucu ürettiği gerilimin, analiz sonucu oluşan grafiği gösterilmiştir. Çıkış geriliminin maksimum değeri yaklaşık 23 V tur. Şekil 7.9. Tek fazlı jeneratörün yüksüz durum çıkış gerilimi (rotor hızı=300 d/dk) Şekil 7.10 da, tek fazlı jeneratörün yüksüz ve 500 d/dk lık rotor hızı sonuçu ürettiği gerilimin, analiz sonucu oluşan grafiği gösterilmiştir. Çıkış geriliminin maksimum değeri yaklaşık 37 V tur.

117 90 Şekil Tek fazlı jeneratörün yüksüz durum çıkış gerilimi (rotor hızı=500 d/dk) Şekil 7.11 de ise tek fazlı jeneratörün yüksüz ve 1000 d/dk lık rotor hızı sonuçu ürettiği gerilimin, analiz sonucu oluşan grafiği gösterilmiştir. Şekil Tek fazlı jeneratörün yüksüz durum çıkış gerilimi (rotor hızı=1000 d/dk) Rotor hızı arttıkça, manyetik akının değişim frekansı da artmıştır. Şekil 7.12 de, tek fazlı jeneratörün 300, 500 ve 1000 d/dk lık rotor hızlarında yüksüz durum için ürettiği gerilimin değişimi gösterilmiştir. Faraday kanununa göre indüklenen gerilim, manyetik akının değişim hızına dolayısıyla rotorun hızına bağlı olarak artmalıdır (Eşitlik 4.20). Grafiğe göre de rotor hızı arttıkça jeneratörün ürettiği gerilimin arttığı görülmektedir. 300 d/dk rotor hızında maksimum 23 V gerilim indüklenirken 1000 d/dk rotor hızında maksimumu 75 V gerilim indüklenmiştir.

118 91 Şekil Tek fazlı jeneratörün yüksüz durum çıkış geriliminin rotor hızına göre değişimi Şekil 7.13 te, tek fazlı jeneratörün 300 d/dk lık rotor hızında 10 ohm omik yükle yüklenmiş durumdaki yük gerilimi gösterilmiştir. Şekil Tek fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızı ve 10 ohm omik yük için yük gerilimi değişimi Şekil 7.14 te, tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk lık rotor hızında 10 ohm omik yükle yüklenmiş durumdaki yük gerilimi gösterilmiştir. Yük 10 ohm da sabit kalıp rotor hızı 300 d/dk dan 1000 d/dk ya çıkarıldığı için yük gerilimi de yaklaşık 3,5 kat artmıştır.

119 92 Şekil Tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızı ve 10 ohm omik yük için yük gerilimi değişimi. Şekil 7.15 te, üç fazlı jeneratörün 300, 500, 1000 d/dk lık rotor hızları için değişik yük değerleriyle yüklenmesi sonucu elde edilen yük geriliminin değişim grafiği gösterilmiştir. Buna göre: 300 d/dk rotor hızında, jeneratörün çıkış geriliminin tepe değeri, 1 ohm yük için yaklaşık 9 V iken 20 ohm yük için ise yaklaşık 21 V tur. 500 d/dk rotor hızında, çıkış geriliminin tepe değeri, 1 ohm yük için yaklaşık 14 V ve 20 ohm yük için ise yaklaşık 35 V tur d/dk rotor hızında, çıkış geriliminin tepe değeri 1 ohm yük için yaklaşık 24 V ve 20 ohm yük için ise yaklaşık 70 V tur. Rotor hızı arttıkça jeneratör daha fazla gerilim üretmektedir. Ancak jeneratör elektriksel olarak yüklendikçe gerilim düşümü olmaktadır. Şekil Tek fazlı jeneratör geriliminin rotor hızı ve yüke göre değişimi

120 Tek fazlı jeneratörün akım benzetimi Şekil 7.16 da, tek fazlı jeneratörün 500 d/dk lık rotor hızında 5 ohm omik yükle yüklenmiş durumdaki yük akımı gösterilmiştir. Şekil Tek fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızı ve 5 ohm yüke göre akım değişimi Şekil 7.17 de, tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk lık rotor hızında 5 ohm omik yükle yüklenmiş durumdaki yük akımı gösterilmiştir. Jeneratörün yükü 5 ohm da sabit tutulup rotor hızı 500 d/dk dan 1000 d/dk ya çıkarıldığı için yük akımı da yaklaşık olarak 6 A den 11 A e çıkmıştır. Şekil Tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızı ve 5 ohm yüke göre akım değişimi

121 94 Şekil 7.18 de, tek fazlı jeneratörün 300, 500 ve 1000 d/dk lık rotor hızlarında değişik yük değerleriyle yüklenmesi sonucu elde edilen faz akımı değişimleri tek bir grafikte gösterilmiştir. Buna göre: 300 d/dk rotor hızında, yük akımının etkin değeri, 1 ohm yük için yaklaşık 6,6 A ve 20 ohm yük için ise yaklaşık 0,8 A dır. 500 d/dk rotor hızında, yük akımının etkin değeri, 1 ohm yük için yaklaşık 10 A ve 20 ohm yük için ise yaklaşık 1,2 A dır d/dk rotor hızında ise yük akımının etkin değeri, 1 ohm yük için yaklaşık 17 A ve 20 ohm yük için ise yaklaşık 2,4 A dır. Şekil Tek fazlı jeneratörün faz akımının rotor hızı ve yüke göre değişimi Rotor hızı ve jeneratörün elektriksel yükü arttıkça jeneratör akımı da artmaktadır. Jeneratör için 5 ohm yük değeri kritik bir değer olup bu değerden daha küçük dirençli yüklerde yük akımı aşırı derecede yükselmektedir. Örneğin, 1 ohm yük değerinde yük akımının aşırı yükseldiği açıkça görülmektedir Tek fazlı jeneratörün nüve ve bakır kaybı benzetimi Şekil 7.19 da, tek fazlı jeneratörün 300 d/dk lık rotor hızı ve yüksüz durumu için nüve kaybı grafiği gösterilmiştir.

122 95 Şekil 7.19.Tek fazlı jeneratörün yüksüz durumu için nüve kaybı (rotor hızı 300 d/dk) Jeneratör, gecici durumdan karalı duruma geçtikten sonra, nüve kaybının tepe değeri yaklaşık olarak 1,4 W civarındadır. Şekil 7.20 de, tek fazlı jeneratörün 300 d/dk lık rotor hızı ve yüksüz durumu için bakır kaybı grafiği gösterilmiştir. Aynı benzetimde elde edilen bakır kaybının tepe değerinin ise yaklşık 1,3 W civarında olduğu görülmektedir. Şekil Tek fazlı jeneratörün yüksüz durumu için bakır kaybı (rotor hızı 300 d/dk) Şekil 7.21 de, tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk lık rotor hızı ve yüksüz durumu için nüve kaybı grafiği gösterilmiştir.

123 96 Şekil Tek fazlı jeneratörün yüksüz durumu için nüve kaybı (rotor hızı 1000 d/dk) Buna göre, nüve kaybının tepe değeri 300 d/dk rotor hızında 1,4 W civarında iken 1000 d/dk rotor hızında ise yaklaşık olarak 6,5 W a çıkmışır. Çünkü rotor hızı arttığından manyetik akının değişimi de artmakta bu da nüve kayıplarını arttırmaktadır. Şekil 7.22 de, tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk lık rotor hızı ve yüksüz durumu için bakır kaybı grafiği gösterilmiştir. Benzer şekilde, tepe değeri 300 d/dk rotor hızında 1,4 W civarında olan bakır kaybının değeri 1000 d/dk rotor hızında yaklaşık olarak 6,5 W a çıkmışır. Bu da manyetik akının hızlı değişiminin belli bir miktarda bobinler üzerinde artan akım yoğunluğunda bulunduğu sonucunu bize gösterir. Şekil Tek fazlı jeneratörün yüksüz durumu için bakır kaybı (rotor hızı 1000 d/dk)

124 97 Şekil 7.23 te, tek fazlı jeneratörün değişk rotor hızlarında yüksüz durum için nüve ve bakır kaybının değişimi tek bir grafikte gösterilmiştir. Buna göre; jeneratör yüksüz durumdayken nüve kaybı ve bakır kaybı neredeyse eşit miktardadır. Jeneratör yüksüz durumdayken oluşan bakır kaybı, stator sargılarının iç direncinden kaynaklanmaktadır. Rotor hızı arttıkça jeneratörün nüve kayıpları artmaktadır. Bunun sebebi de rotor hızına bağlı olarak frekansın artmasıdır. Frekansın artması da doğal olarak nüve kayıplarını arttırmaktadır (Eşitlik 4.51, 4.52 ve 4.53). Şekil Tek fazlı jeneratörün değişik rotor hızlarında yüksüz durumu için nüve ve bakır kaybı. Şekil 7.24 te, tek fazlı jeneratörün 300 d/dk lık rotor hızı ve 5 ohm yüklü durumu için nüve kaybı grafiği gösterilmiştir. Nüve kaybının tepe değeri yaklaşık 1,3 W civarında iken en düşük değeri de yaklaşık 0,2 W civarındadır. Bu değerler oldukça uygun ve kabul edilebilir değerlerdir. Şekil Tek fazlı jeneratörün 5 ohm yüklü durumu için nüve kaybı (rotor hızı 300 d/dk)

125 98 Şekil 7.25 te, tek fazlı jeneratörün 300 d/dk lık rotor hızı ve 5 ohm yüklü durumu için bakır kaybı grafiği gösterilmiştir. Bakır kaybının tepe değeri yaklaşık 3,3 W civarındadır. Stator akımı değişken olduğu için doğal olarak bakı kaybı da değişken değerlere sahip bir grafik oluşturmaktadır. Şekil Tek fazlı jeneratörün 5 ohm yüklü durumu için bakır kaybı (rotor hızı 300 d/dk) Şekil 7.26 da, tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk lık rotor hızı ve 5 ohm yüklü durumu için nüve kaybı grafiği gösterilmiştir. Nüve kaybının tepe değeri yaklaşık 3,5 W civarında iken en düşük değeri de yaklaşık 0,8 W civarındadır. Bu değerler oldukça uygun ve kabul edilebilir değerlerdir. Şekil Tek fazlı jeneratörün 5 ohm yüklü durumu için nüve kaybı (rotor hızı 1000 d/dk)

126 99 Şekil 7.27 de, tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk lık rotor hızı ve 5 ohm yüklü durumu için bakır kaybı grafiği gösterilmiştir. Bakır kaybının tepe değeri yaklaşık 23 W civarındadır. 300 d/dk torot hızındaki stator akımına göre 1000 d/dk rotor hızında stator akımı arttığı için bakır kaybı da artmıştır. Şekil Tek fazlı jeneratörün 5 ohm yüklü durumu için bakır kaybı (rotor hızı 1000 d/dk) Şekil 7.28 de, tek fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızı ve değişik değerdeki yüklü durumları için nüve ve bakır kaybının değişimi tek bir grafikte gösterilmiştir. Buna göre; 300 d/dk rotor hızında, jeneratör yüklendikçe bakır kaybı da doğal olarak artmakta ve 1 ohm yük için maksimum değeri yaklaşık 13 W olmaktadır. Nüve kaybı ise ihmal edilebilecek kadar az miktardadır. Şekil Tek fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızı ve değişik yük değerleri için nüve ve bakır kaybı

127 100 Şekil 7.29 da, tek fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızı ve değişik değerdeki yüklü durumları için nüve ve bakır kaybının değişimi tek bir grafikte gösterilmiştir. Buna göre; 500 d/dk rotor hızında, jeneratör yüklendikçe bakır kaybı artmakta ve 1 ohm yük için maksimum değeri yaklaşık 30 W olmaktadır. Nüve kaybı ise yaklaşık olarak 2,5 W civarındadır. Şekil Tek fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızı ve değişik yük değerleri için nüve ve bakır kaybı Şekil 7.30 da, tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızı ve değişik değerdeki yüklü durumları için nüve ve bakır kaybının değişimi tek bir grafikte gösterilmiştir. Buna göre; 1000 d/dk rotor hızında, jeneratör yüklendikçe bakır kaybı artmakta ve 1 ohm yükdeğerinde maksimum değeri olan 80 W a ulaşmaktadır. Nüve kaybı ise yaklaış 3,5 W civarındadır. Şekil Tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızı ve değişik yük değerleri için nüve ve bakır kaybı

128 101 Şekil 7.31 de, tek fazlı jeneratörün 300, 500 ve 1000 d/dk rotor hızları için değişik yük değerlerindeki nüve kayıpları tek grafikte gösterilmiştir. 300 d/dk rotor hızında, nüve kaybı, 1 ohm yük için yaklaşık 1 W ve 20 ohm yük için de yine aynı değer civarındadır. 500 d/dk rotor hızında, nüve kaybı, 1 ohm yük için yaklaşık 1,8 W ve 20 ohm yük için ise yaklaşık 2,5 W tır d/dk rotor hızında ise nüve kaybı, 1 ohm yük için yaklaşık 3,5 W ve 20 ohm yük için ise yaklaşık 6 W tır. Şekil Tek fazlı jeneratörün nüve kaybının rotor hızı ve yüke göre değişimi Şekil 7.32 de, tek fazlı jeneratörün 300, 500 ve 1000 d/dk rotor hızları için değişik yük değerlerindeki bakır kayıpları tek grafikte gösterilmiştir. 300 d/dk rotor hızında, bakır kaybı, 1 ohm yük için yaklaşık 13 W ve 20 ohm yük için ise yaklaşık 1,5 W tır. 500 d/dk rotor hızında, bakır kaybı, 1 ohm yük için yaklaşık 30 W ve 20 ohm yük için ise yaklaşık 3,5 W tır d/dk rotor hızında ise bakır kaybı, 1 ohm yük için yaklaşık 80 W ve 20 ohm yük için ise yaklaşık 7,5 W tır. Şekil Tek fazlı jeneratörün bakır kaybının rotor hızı ve yüke göre değişimi

129 102 Şekil 7.33 te, tek fazlı jeneratörün 300, 500 ve 1000 d/dk rotor hızları için değişik yük değerlerindeki toplam nüve ve bakır kayıpları tek grafikte gösterilmiştir. Buna göre: Şekil Tek fazlı jeneratörün değişik rotor hızları ve değişik yük değerleri için toplam nüve ve bakır kaybı Rotor hızı arttıkça, jeneratörün toplam nüve ve bakır kaybı da artmaktadır. Rotor hızının artması frekansı arttırmaktadır. Nüve kayıpları da frekansa bağlı olarak artmaktadır. (Eşitlik 4.51, 4.52 ve 4.53). Jeneratörün yüklü durumu için nüve kayıpları bakır kaybına oranla çok az miktardadır. Jeneratör yüklendikçe stator sargılarından geçen akım da artmaktadır. Bu sebeple jeneratörün bakır kayıpları da yükle beraber artmaktadır (Eşitlik 4.49). Tek fazlı jeneratörde 5 ohm değerinden daha küçük direnç değerine sahip olan yük değerlerinde yük akımı aşırı derecede arttığından bakır kayıpları da aşırı artmaktadır. Bu kritik yük direncinden daha büyük dirençli yüklerde akım normal değerlerde olduğundan bakır kayıpları da normal ve kabul nedilebilir değerlerdedir.

130 DENEYSEL ÇALIŞMALAR VE SONUÇLARI Şekil 8.1 de, Üç fazlı ve tek üç fazlı jeneratörün deneysel çalışmalarını yapmak için kurulan deney düzeneğinin blok diyagramı gösterilmiştir. Şekil 8.1. Jeneratör deney düzeneği Deney düzeneği, üç fazlı ve tek fazlı jeneratörlerden, jeneratörleri tahrik etmek için bir asenkron motordan, asenkron motorun hız kontrolünü yapan hız kontrol ünitesinden ve ölçü aletlerinden oluşmaktadır. Deneyler esnasında, gerilim sinyalleri iki kanallı ve dört kanallı iki ayrı osiloskop vasıtasıyla ölçülmüş ve kayıt edilmiştir. Akım değerleri dijital ampermetrelerle ve rotor hızı da dijital takometre ile ölçülmüştür. Güç ve harmonik ölçümleri, tek faz ve üç faz için ölçüm yapabilen, güç analizörü vasıtasıyla yapılmıştır. Jeneratör yükü olarak, omik özellikli, ayarlı reostalar kullanılmıştır. Resim 8.1. Jeneratörün tahrik makinesine bağlantısı

131 104 Resim 8.1 de, jeneratör prototipi ve tahrik makinesinin mekanik bağlantısı gösterilmiştir. Jeneratörü tahrik etmek için bir asenkron motor kullanılmıştır. Asenkron motor 1200 d/dk ya kadar hız kontrolü yapılabilecek özelliktedir. Tüm deneyler rotorun 100 d/dk hızından 1000 d/dk hızına kadar 100 er aralıklarla yapılmıştır Üç Fazlı Jeneratörün Deneysel Çalışmaları ve Sonuçları Çizelge 8.1 de, prototipi yapılan üç fazlı jeneratörün parametreleri verilmiştir. Çizelge 8.1. Üç fazlı jeneratörün parametreleri Rotor-2 iç yarıçapı R 2i (mm) 70 Rotor-2 dış yarıçapı R 2O (mm) 110 Rotor-1 iç yarıçapı R 1i (mm) 115 Rotor -2 dış yarıçapı R 1O (mm) 155 Stator iç yarıçapı (mm) 70 Stator dış yarıçapı (mm) 155 Bobin iç çapı (mm) 30 Bobin dış çapı (mm) 40 Faz sayısı 3 Bobin sarım sayısı 200 İletken çapı (mm) 0,75 Faz başına bobin direnci (ohm) 10 Mıknatıs tipi NdFeB Mıknatıs şekli Dairesel disk Mıknatıs çapı (mm) 30 Mıknatıs kalınlığı (mm) 5 Nüve materyali M19 Nüve tipi Eksenel/lamine Hava aralığı (mm) 5 Nüve katsayıları (W/m 3 ) k h 164,2 k e 1,3 k a 1,72 Şekil 8.2 de, üç fazlı jeneratörün deney bağlantı şeması gösterilmiştir. Jeneratör yıldız bağlanmış olup yük olarak ta üç fazlı, yıldız bağlı ve ayarlanabilen reostalar kullanılmıştır.

132 105 Şekil 8.2. Üç fazlı jeneratörün deney bağlantı şeması Üç fazlı jeneratörün yüksüz çalışması Resim 8.2 de, üç fazlı jeneratörün 400 d/dk lık rotor hızı ve yüksüz durumdaki üç faz çıkış geriliminin osiloskop ekranındaki görüntüsü gösterilmiştir. Resim 8.2. Üç fazlı jeneratörün yüksüz durumdaki çıkış gerilimi (rotor hızı 400 d/dk) Resim 8.3 te, üç fazlı jeneratörün 600 d/dk lık rotor hızı ve yüksüz durumdaki üç faz çıkış geriliminin osiloskop ekranındaki görüntüsü gösterilmiştir.

133 106 Resim 8.3. Üç fazlı jeneratörün yüksüz durumdaki çıkış gerilimi (rotor hızı 600 d/dk) Resim 8.4 te, üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk lık rotor hızı ve yüksüz durumdaki üç faz çıkış geriliminin osiloskop ekranındaki görüntüsü gösterilmiştir. Resim 8.4. Üç fazlı jeneratörün yüksüz durumdaki çıkış gerilimi (rotor hızı 1000d/dk) Jeneratörden elde edilen üç fazlı gerilim sinyalleri arasında net olarak 120 derece faz farkı bulunmaktadır (Resim 8.2, 8.3 ve 8.4). Bu da, üç fazlı sargı ve rotor tasarımının son derece başarılı olduğunu göstermektedir. Bu kısımdan sonraki deneylerde, gerilim sinyallerinin osiloskop ekranında daha anlaşılır bir şekilde görüntü ifade etmesi bakımından, ölçümler tek faz üzerinden dijital bir osiloskop vasıtasıyla yapılmıştır.

134 107 Çizelge 8.2 de, üç fazlı jeneratörün yüksüz olarak çeşitli rotor hızlarında çalıştırılması sonucu ölçülen gerilim değerleri gösterilmiştir. Çizelge Üç fazlı jeneratörün yüksüz çalışmasına ait değerler Rotor Hızı (d/dk) Faz Gerilimi (Tepe Değer) (V) Faz Gerilimi (Etkin Değer) (V) İki Faz Arası Gerilim (Etkin Değer) (V) ,84 9,01 16, ,51 17,71 32, ,79 27,38 47, ,88 34,86 62, ,97 43,06 77, ,45 53,08 92, ,10 62,00 107, ,00 70,50 122, ,29 79,20 137, ,75 88,20 151,90 Resim 8.5 te, üç fazlı jeneratörün değişik rotor hızlarında yüksüz durumu için üretmiş olduğu faz geriliminin osiloskop ekranındaki görüntüsü gösterilmiştir. (a) (b) Resim 8.5. Üç fazlı jeneratörün yüksüz çalışmasına ait çıkış gerilimlerinin osiloskop görüntüleri rotor hızı (a) 100 d/dk, (b) 200 d/dk, (c) 300 d/dk, (d) 400 d/dk, (e) 500 d/dk, (f) 600d/dk

135 108 (c) (d) (e) (f) Resim 8.5. (Devam) Üç fazlı jeneratörün yüksüz çalışmasına ait çıkış gerilimlerinin osiloskop görüntüleri rotor hızı (a) 100 d/dk, (b) 200 d/dk, (c) 300 d/dk, (d) 400 d/dk, (e) 500 d/dk, (f) 600d/dk Şekil 8.3 te, üç fazlı jeneratörün yüksüz çıkış geriliminin rotor hızına göre değişimi gösterilmiştir. Buradaki gerilim değerleri faz geriliminin etkin değeridir. Şekil 8.3. Üç fazlı jeneratörün yüksüz durumu için gerilim hız grafiği

136 109 Jeneratöryüksüz olarak çalıştırlıp rotor hızı arttırıldıkça indüklenen gerilimin değeri de artmaktadır. Rotor hızının artmasıyla beraber gerilimin frekansı da artmaktadır. Jeneratör yüksüz olarak 100 d/dk rotor hızında etkin değer olarak faz başına yaklaşık 9 V üretirken 1000 d/dk rotor hızı için ise yaklaşık 88 V üretmektedir. Düşük rotor hızlarında gerilim sinyalin literatürdeki benzer çalışmalarda da görüldüğü üzere harmonikli olduğu gözlenmiştir Üç fazlı jeneratörün yüklü çalışması Jeneratör 70 ohm yük değerinden 5 ohm yük değerine kadar değişik yük değerlerinde ve değişik rotor hızlarında çalıştırılarak deneysel ölçümler yapılmıştır. Çizelge 8.3 te, üç fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızı ve çeşitli omik yük değerlerinde çalıştırılması sonucu ölçülen değerler gösterilmiştir. Çizelge Üç fazlı jeneratörün 300 d/dk hızda yüklü çalışmasına ait deney değerleri Yük (Ohm) Faz Gerilimi (Tepe Değer) (V) Faz Gerilimi (Etkin Değer) (V) İki Faz Arası Gerilim (Etkin Değer) (V) Faz Akımı (Etkin Değer) (A) Çıkış Gücü (W) 70 41,98 24,45 42,39 0,343 25, ,81 24,00 41,75 0,393 28, ,39 23,47 40,50 0,455 32, ,62 22,95 40,85 0,491 34, ,24 22,31 38,72 0,546 36, ,85 20,76 36,10 0,692 43, ,66 18,40 32,14 0,894 46, ,53 13,84 24,46 1,235 45, ,40 8,53 15,99 1,565 38,70 Resim 8.6 da, üç fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızında değişik omik yük değerleri için üretmiş olduğu faz geriliminin osiloskop ekranındaki görüntüsü gösterilmiştir.

137 110 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) Resim 8.6. Üç fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızında yüklü çalışmasına ait çıkış gerilimlerinin osiloskop görüntüleri, yük değeri: (a) 5 ohm, (b) 10 ohm, (c) 20 ohm, (d) 30 ohm, (e) 40 ohm, (f) 50 ohm, (g) 60 ohm, (h) 70 ohm

138 111 Çizelge 8.4 te, üç fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızı ve çeşitli omik yük değerlerinde çalıştırılması sonucu ölçülen değerler gösterilmiştir. Çizelge 8.4. Üç fazlı jeneratörün 500 d/dk hızda yüklü çalışmasına ait deney değerleri Yük (Ohm) Faz Gerilimi (Tepe Değer) (V) Faz Gerilimi (Etkin Değer) (V) İki Faz Arası Gerilim (Etkin Değer) (V) Faz Akımı (Etkin Değer) (A) Çıkış Gücü (W) 70 57,82 38,32 67,10 0,545 63, ,42 37,69 65,90 0,622 71, ,84 36,34 63,99 0,717 79, ,44 35,14 64,80 0,780 85, ,07 34,56 60,14 0,845 88, ,69 31,68 54,65 1,050 99, ,15 26,59 46,88 1, , ,25 19,00 33,62 1,696 94, ,15 10,67 20,29 1,977 60,50 Resim 8.7 de, üç fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızında değişik omik yük değerleri için üretmiş olduğu faz geriliminin osiloskop ekranındaki görüntüsü gösterilmiştir. (a) (b) (c) (d) Resim 8.7. Üç fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızında yüklü çalışmasına ait çıkış gerilimlerinin osiloskop görüntüleri, yük değeri: (a) 10 ohm, (b) 20 ohm, (c) 30 ohm, (d) 40 ohm, (e) 50 ohm, (f) 60 ohm

139 112 (e) (f) Resim 8.7. (Devam) Üç fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızında yüklü çalışmasına ait çıkış gerilimlerinin osiloskop görüntüleri, yük değeri: (a) 10 ohm, (b) 20 ohm, (c) 30 ohm, (d) 40 ohm, (e) 50 ohm, (f) 60 ohm Çizelge 8.5 te, üç fazlı jeneratörün 800 d/dk rotor hızı ve çeşitli omik yük değerlerinde çalıştırılması sonucu ölçülen değerler gösterilmiştir. Çizelge 8.5. Üç fazlı jeneratörün 800 d/dk hızda yüklü çalışmasına ait deney değerleri Yük (Ohm) Faz Gerilimi (Tepe Değer) (V) Faz Gerilimi (Etkin Değer) (V) İki Faz Arası Gerilim (Etkin Değer) (V) Faz Akımı (Etkin Değer) (A) Çıkış Gücü (W) 70 89,10 59,50 100,50 0, , ,15 57,50 97,90 0, , ,15 55,10 94,20 1, , ,81 52,67 95,00 1, , ,83 50,43 86,10 1, , ,30 44,29 75,50 1, , ,21 35,69 61,61 1, , ,77 23,32 40,97 2, , ,73 12,32 23,02 2,270 79,80 Resim 8.8 de, üç fazlı jeneratörün 800 d/dk rotor hızında değişik omik yük değerleri için üretmiş olduğu faz geriliminin osiloskop ekranındaki görüntüsü gösterilmiştir. Resim 8.8.(e) ve (f) de gerilim değeri osiloskubun ölçme alanını aştığı için osiloskop probu x10 kademesine alınmıştır. Bu sinyallerin gerçek değerleri resimde görünen değerlerin 10 katıdır.

140 113 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Resim 8.8. Üç fazlı jeneratörün 800 d/dk rotor hızında yüklü çalışmasına ait çıkış gerilimlerinin osiloskop görüntüleri, yük değeri: (a) 10 ohm, (b) 20 ohm, (c) 30 ohm, (d) 40 ohm, (e) 50 ohm, (f) 60 ohm Çizelge 8.6 da, üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızı ve çeşitli omik yük değerlerinde çalıştırılması sonucu ölçülen değerler gösterilmiştir.

141 114 Çizelge 8.6. Üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk hızda yüklü çalışmasına ait deney değerleri Yük (Ohm) Faz Gerilimi (Tepe Değer) (V) Faz Gerilimi (Etkin Değer) (V) İki Faz Arası Gerilim (Etkin Değer) (V) Faz Akımı (Etkin Değer) (A) Çıkış Gücü (W) ,95 69,90 121,50 0, , ,95 67,10 116,80 1, , ,00 63,20 110,40 1, , ,05 60,90 111,60 1, , ,10 57,80 99,20 1, , ,15 50,40 85,90 1, , ,93 38,76 67,50 1, , ,75 24,07 42,55 2, , ,32 12,14 23,75 2,385 84,30 Resim 8.9 da, üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızında değişik omik yük değerleri için üretmiş olduğu faz geriliminin osiloskop ekranındaki görüntüsü gösterilmiştir. (a) (b) (c) (d) Resim 8.9. Üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızında yüklü çalışmasına ait çıkış gerilimlerinin osiloskop görüntüleri, yük değeri: (a) 10 ohm, (b) 20 ohm, (c) 30 ohm, (d) 40 ohm, (e) 50 ohm, (f) 60 ohm

142 115 (e) (f) Resim 8.9. (Devam) Üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızında yüklü çalışmasına ait çıkış gerilimlerinin osiloskop görüntüleri, yük değeri: (a) 10 ohm, (b) 20 ohm, (c) 30 ohm, (d) 40 ohm, (e) 50 ohm, (f) 60 ohm Resim 8.9.(c), (d), (e) ve (f) de, gerilim değeri osiloskobun ölçme alanını aştığı için osiloskop probu X10 kademesine alınmıştır. Bu sinyallerin gerçek değerleri resimde görünen değerlerin 10 katıdır. Şekil 8.4 te üç fazlı jeneratörün yük geriliminin, değişik rotor hızları ve yük değerleri için değişimi gösterilmiştir. Bu grafik, üç fazlı jeneratörün yüklü çalışmasına ait deneysel verilerden oluşturulmuştur. Buna göre; jeneratör sabit bir yük değeri altında çalışırken, rotor hızı kademeli olarak arttırıldığında, jeneratörün ürettiği gerilim de artmıştır. Jeneratör sabit bir rotor hızında çalışırken, jeneratör yüklendikçe ürettiği gerilim düşmüş ve yükü azaltıldıkça da ürettiği gerilim artmıştır. Şekil 8.4. Üç fazlı jeneratörün değişik yük ve rotor hızlarındaki yük-gerilimi grafiği

143 116 Şekil 8.5 te üç fazlı jeneratörün yük akımının, değişik rotor hızları ve yük değerleri için değişimi gösterilmiştir. Buna göre; jeneratör sabit bir yük değeri altında çalışırken, rotor hızı kademeli olarak arttırıldığında, jeneratörün akımı da artmıştır. Jeneratör sabit bir rotor hızında çalışırken, jeneratör yüklendikçe akımı artmış ve yükü azaltıldıkça da akımı da azalmıştır. Şekil 8.5. Üç fazlı jeneratörün değişik yük ve rotor hızlarındaki yük akımı grafiği Şekil 8.6. Üç fazlı jeneratörün değişik yük değerleri ve rotor hızları için çıkış gücü grafiği Şekil 8.6 da üç fazlı jeneratörün çıkış gücünün değişik rotor hızları ve yük akımına göre değişimi gösterilmiştir. Buna göre:

144 117 Jeneratör, rotorun hızına bağlı olarak, her bir hız değeri için farklı bir yük noktasında maksimum güç üretmektedir. Rotor hızına göre farklılık gösteren bu kritik yük noktasından daha büyük veya daha küçük yük değerlerinde maksimum güç elde edilememektedir. Kritik yük değerinin rotor hızına bağlı olarak değişmesi doğal bir sonuçtur. Çünkü rotor hızı değiştikçe jeneratörün sargı empedansı da değişmektedir. Bu sebeple, maksimum güç teoremi de dikkate alındığında her bir rotor hızı için farklı yük değerlerinde maksimum gücün elde edilmesi beklenen bir sonuçtur. Jeneratör 300 d/dk rotor hızı için 46 W, 500 d/dk için 106 W ve 1000 d/dk için 250 W maksimum güç üretmiştir Şekil 8.7 de, üç fazlı jeneratörün, 300 d/dk lık rotor hızında, yük akımına göre çıkış gücünün ve faz geriliminin değişimi gösterilmiştir. Yük akımı arttıkça gerilim düşmüştür. Çıkış gücü ise, yük akımı yaklaşık olarak 0,9 A değerine ulaşıncaya kadar artmış ve akımın bu değerinde güç maksimum değerine ulaşmıştır. Ancak yük akımı 0,9 A değerini aştıktan sonra güç değeri de azalmaya başlamıştır. Şekil 8.7. Üç fazlı jeneratörün yük akımına göre çıkış gücünün ve faz geriliminin değişimi (rotor hızı 300d/dk) Şekil 8.8 de, üç fazlı jeneratörün, 500 d/dk lık rotor hızında, yük akımına göre çıkış gücünün ve faz geriliminin değişimi gösterilmiştir. Yük akımı arttıkça gerilim düşmüştür. Çıkış gücü ise, yük akımı yaklaşık olarak 1,3 A değerine ulaşıncaya kadar artmış ve akımın bu değerinde güç maksimum değerine ulaşmıştır. Ancak yük akımı 1,3 A değerini aştıktan sonra, güç değeri de azalmaya başlamıştır.

145 118 Şekil 8.8. Üç fazlı jeneratörün yük akımına göre çıkış gücünün ve faz geriliminin değişimi (rotor hızı 500d/dk) Şekil 8.9 da, üç fazlı jeneratörün, 1000 d/dk lık rotor hızında, yük akımına göre çıkış gücünün ve faz geriliminin değişimi gösterilmiştir. Şekil 8.9. Üç fazlı jeneratörün yük akımına göre çıkış gücünün ve faz geriliminin değişimi (rotor hızı 1000 d/dk) Jeneratörde yükün değişmesi demek, yük akımının değişmesi demektir. Her rotor hızı için maksimum gücün elde edildiği yük akımı değeri farklıdır. Örneğin, maksimum gücün oluştuğu akım değeri; 300 d/dk rotor hızı için 0,894 A, 500 d/dk için 1,311 A ve 1000 d/dk için 1,436 A dır. Yine aynı şekilde maksimum gücün oluştuğu gerilim değeri; 300 d/dk rotor hızı için 18,40 V, 500 d/dk için 26,59 V ve 1000 d/dk için 57,80 V tur (Şekil 8.7, 8.8 ve 8.9).

146 119 Şekil 8.10 da üç fazlı jeneratör veriminin, değişik rotor hızları ve yük değerleri için değişimi gösterilmiştir. Buna göre: Şekil Üç fazlı jeneratörün değişik yük ve rotor hızlarındaki verim grafiği Verim, çıkış gücüyle tanımlanan bir değer olduğu için doğal olarak çıkış gücünün karakterini takip eder. Jeneratör sabit bir rotor hızında çalışmakta iken jeneratörün yükü değiştirilirse, çıkış gücünün değeri değişeceği için verimin de değeri değişecektir (Eşitlik 4.58). Jeneratörün en düşük verimi 200 d/dk rotor hızında 70 ohm yük değerinde yaklaşık %6 olarak gerçekleşirken, en yüksek verim ise 1000 d/dk rotor hızında 40 ohm yük değerinde yaklaşık %92,5 olarak gerçekleşmektedir. Jeneratör, düşük devirlerde düşük verime sahiptir. Verimin maksimum olduğu yük noktaları da tıpkı güç karakteristiğinde olduğu gibi, farklılık arz etmektedir. Şekil 8.11 de, üç fazlı jeneratör veriminin, değişik rotor hızları ve yük değerleri için değişimi gösterilmiştir. Buna göre: Şekil Üç fazlı jeneratörün değişik yük ve rotor hızlarındaki verim grafiği

147 120 Rotorun bütün hız değerleri dikkate alındığında, 30 ohm, jeneratör veriminin en yüksek olduğu yük değeridir. 30 ohm yük değerinin altındaki ve üstündeki yük değerlerinde jeneratör verimi büyük ölçüde düşmektedir Üç fazlı jeneratörün harmonik ölçümleri Üç fazlı jeneratörün gerilim sinyaline ait harmonik ölçümleri, jeneratörün yüksüz ve yüklü durumları için ayrı ayrı yapılmıştır. Harmonik ölçümleri, harmonik ölçümü yapabilen bir güç analizörü vasıtasıyla yapılmış olup görüntüleri kaydedilmiştir. Resim 8.10 da üç fazlı jeneratörün yüksüz halde değişik rotor hızları için üretmiş olduğu gerilim sinyalinin harmonik görüntüsü gösterilmiştir. Jeneratör, d/dk rotor hızı aralığında, yüksüz olarak çalıştırılmış olup tespit edilen toplam harmonik bozulma (THD) miktarı, maksimum %4,8 olarak tespit edilmiştir. Bu değer 500 d/dk rotor hızı durmunda kaydedilmiştir. Deneylerden anlaşıldığı kadarıyla THD değerleri hıza göre belirgin bir farklılık göstermemiştir. (a) (b) Resim Üç fazlı jeneratörün yüksüz olarak değişik rotor hızında çalıştırılmasına ait gerilim sinyallerinin harmonik ölçümleri, rotor hızı: (a) 300 d/dk, (b) 500 d/dk, (c) 700 d/dk, (d) 1000 d/dk

148 121 (c) Resim (Devam) Üç fazlı jeneratörün yüksüz olarak değişik rotor hızında çalıştırılmasına ait gerilim sinyallerinin harmonik ölçümleri, rotor hızı: (a) 300 d/dk, (b) 500 d/dk, (c) 700 d/dk, (d) 1000 d/dk (d) Resim 8.11 de üç fazlı jeneratörün, 200 d/dk rotor hızı ve yüklü durumu için üretmiş olduğu gerilim sinyalinin harmonik görüntüsü gösterilmiştir. (a) (b) (c) (d) Resim Üç fazlı jeneratörün 200 d/dk rotor hızı ve değişik yük değerlerinde çalıştırılmasına ait gerilim sinyallerinin harmonik ölçümleri, yük değeri: (a) 5 ohm, (b) 10 ohm, (c) 20 ohm, (d) 30 ohm Resim 8.12 de üç fazlı jeneratörün, 600 d/dk rotor hızı ve yüklü durumu için üretmiş olduğu gerilim sinyalinin harmonik görüntüsü gösterilmiştir.

149 122 (a) (b) (c) (d) Resim Üç fazlı jeneratörün 600 d/dk rotor hızı ve değişik yük değerlerinde çalıştırılmasına ait gerilim sinyallerinin harmonik ölçümleri, yük değeri: (a) 5 ohm, (b) 10 ohm, (c) 20 ohm, (d) 30 ohm Resim 8.13 te üç fazlı jeneratörün, 1000 d/dk rotor hızı ve yüklü durumu için üretmiş olduğu gerilim sinyalinin harmonik görüntüsü gösterilmiştir. (a) (b) (c) (d) Resim Üç fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızı ve değişik yükdeğerlerinde çalıştırılmasına ait gerilim sinyallerinin harmonik ölçümleri, yük değeri: (a) 5 ohm, (b) 10 ohm, (c) 20 ohm, (d) 30 ohm

150 123 Jeneratör, d/dk rotor hızı aralığında çeşitli değerlerde yüklü olarak çalıştırılmış ve harmonik ölçümü yapılmıştır. Jeneratörün bu koşullar için tespit edilen THD değeri %0,3 - %0,6 aralığında olup ölçüm sonuçları Resim 8.11, Resim 8.12 ve Resim 8.13 te gösterilmiştir. Ölçülen bu değerlere bakıldığında, üç fazlı jeneratörün THD değerleri oldukça düşük değerlerde olup kabul edilebilir sınırlara uygundur. Şekil 8.12 de ise ölçülen THD değerleri grafik olarak gösterilmiştir. Buna göre, jeneratörün THD değeri, yüksüz durumda iken, 200 d/dk rotor hızında maksimum seviyede olup %5,5 tir. Yüksüz, 1000 d/dk rotor hızında ise THD değeri %4,7 dir. Jeneratör yüklendiğinde, THD değerleri önemli ölçüde azalmaktadır. Jeneratörün yüklü durumu için, rotorun tüm hız aralıkları da dikkate alındığında THD değeri %0,6 - %0,2 aralığında kalmaktadır. Şekil Üç fazlı jeneratörün yüklü ve yüksüz durumu için hıza bağlı THD değerleri Deneyler sonucunda elde edilen verilere göre; jeneratör veriminin ve çıkış gücünün en yüksek olduğu rotor hızı değeri 1000 d/dk dır. Bu da jeneratörün anma hızının 1000 d/dk ve anma gücünün 250 W olduğunu gösterir. Jeneratörün anma akımının ise 1,44 A olduğu tespit edilmiştir Çizelge 8.7 de jeneratörün anma değerleri gösterilmiştir. Çizelge 8.7. Üç fazlı jeneratörün anma değerleri Anma gücü 250 W Anma akımı 1,44 A Anma gerilimi 58 V Anma hızı 1000 d/dk Verim %92,5

151 Tek Fazlı Jeneratörün Deneysel Çalışmaları ve Sonuçları Tek fazlı jeneratörün deneysel çalışmaları için, üç fazlı jeneratörün deneyleri için kurulan deney düzeneğinin aynısı kullanılımştır (Bkz. Şekil 8.1 ve Resim 8.1). Tüm deneyler, rotorun 100 d/dk hızından 1000 d/dk hızına kadar 100 er aralıklarla yapılmıştır. Yüklü çalışma deneyleri için omik özellikli ve ayarlanabilir reosta kullanılmıştır. Çizelge 8. de, prototipi yapılan tek fazlı jeneratörün parametreleri verilmiştir. Çizelge 8.8. Tek fazlı jeneratörün parametreleri Rotor-2 iç yarıçapı R 2i (mm) 70 Rotor-2 dış yarıçapı R 2O (mm) 110 Rotor-1 iç yarıçapı R 1i (mm) 115 Rotor-1 dış yarıçapı R 1O (mm) 155 Stator iç yarıçapı (mm) 70 Stator dış yarıçapı (mm) 155 Bobin iç çapı (mm) 30 Bobin dış çapı (mm) 40 Faz sayısı 1 Bobin sarım sayısı 200 İletken çapı (mm) 0.75 Mıknatıs tipi NdFeB Mıknatıs şekli Dairesel disk Mıknatıs çapı (mm) 40 Mıknatıs kalınlığı (mm) 5 Nüve materyali M19 Nüve tipi eksenel/lamine Hava aralığı (mm) 5 Nüve katsayıları (W/m 3 ) k h 164,2 k e 1,3 k a 1,72 Şekil 8.13 te, tek fazlı jeneratörün deney bağlantı şeması gösterilmiştir.

152 125 Şekil Tek fazlı jeneratörün deney bağlantı şeması Tek fazlı jeneratörün yüksüz çalışması Çizelge 8.9 da, tek fazlı jeneratörün yüksüz olarak çeşitli rotor hızlarında çalıştırılması sonucu ölçülen gerilim değerleri gösterilmiştir. Çizelge 8.9. Tek fazlı jeneratörün yüksüz çalışmasına ait gerilim değerleri Rotor Hızı (d/dk) Çıkış Gerilimi (Tepe Değer) (V) Çıkış Gerilimi (Etkin Değer) (V) ,09 5, ,22 10, ,37 15, ,10 20, ,43 25, ,56 30, ,90 35, ,63 40, ,57 44, ,30 50,07 Resim 8.14 te, tek fazlı jeneratörün yüksüz halde değişik rotor hızlarında üretmiş olduğu gerilimin osiloskop ekranındaki görüntüsü gösterilmiştir. Buna göre rotor hızı arttıkça üretilen gerilimin de arttığı deneysel olarak tespit edilmiş ve bu durum, deneysel değerlerden elde edilerek oluşturulan grafikte de görülmektedir (Şekil 8.14)

153 126 (a) (b) (c) (d) Resim Tek fazlı jeneratörün yüksüz çalışmasına ait çıkış geriliminin osiloskop görüntüleri rotor hızı (a) 300 d/dk, (b) 500 d/dk, (c) 800 d/dk, (d) 1000d/dk Şekil Tek fazlı jeneratörün yüksüz durumu için gerilim hız grafiği Jeneratör 100 d/dk rotor hızı için 5,25 V, 500 d/dk 25,27 V ve 1000 d/dk için yaklaşık 50 V gerilim üretmektedir. Bu değerler etkin değerler olup, jeneratörün rotor hızı arttıkça ürettiği gerilim de artmaktadır. Rotor hızının artmasıyla beraber

154 127 gerilimin frekansı da artmaktadır. Düşük rotor hızlarında gerilim sinyalinnin harmonikli olduğu gözlenmiştir Tek fazlı jeneratörün yüklü çalışması Çizelge 8.10 da, tek fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızı ve çeşitli omik yük değerlerinde çalıştırılması sonucu ölçülen değerler gösterilmiştir. Çizelge Üç fazlı jeneratörün 300 d/dk hızda yüklü çalışmasına ait deney değerleri Yük (Ohm) Yük Gerilimi (Etkin Değer) (V) Yük Akımı (Etkin Değer) (A) Çıkış Gücü (W) 1 3,86 6,85 6, ,92 2,42 28, ,22 1,40 18, ,47 0,50 7,30 Resim 8.15 te, tek fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızında değişik omik yük değerleri için üretmiş olduğu faz geriliminin osiloskop ekranındaki görüntüsü gösterilmiştir. (a) (b) Resim Tek fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızında yüklü çalışmasına ait çıkış gerilimlerinin osiloskop görüntüleri, yük değeri: (a) 1 ohm, (b) 5 ohm, (c) 10 ohm, (d) 20 ohm

155 128 (c) (d) Resim (Devam) Tek fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızında yüklü çalışmasına ait çıkış gerilimlerinin osiloskop görüntüleri, yük değeri: (a) 1 ohm, (b) 5 ohm, (c) 10 ohm, (d) 20 ohm Şekil 8.15 te Tek fazlı jeneratörün 300 d/dk hızında değişik omik yük değerlerinde deneysel olarak ölçülen gerilim, akım ve güç değerlerinden oluşturulmuş grafik gösterilmiştir. Jeneratör 300 d/dk rotor hızı için maksimum gücü, yaklaşık 5 ohm yük değerinde sağlamaktadır. Bu yük değerinden daha büyük ya da daha küçük yük değerlerinde güç miktarı azalmaktadır. 5 ohm yük değerinden daha düşük dirençli yük değerlerinde gerilim ani olarak düşmekte ve akım ise ani olarak artmaktadır. Bu sebeple 5 ohm yük değeri kritik bir yük değeridir. Şekil Tek fazlı jeneratörün 300 d/dk hızı için çeşitli yük değerlerine göre akım gerilim güç grafiği Çizelge 8.11 de, tek fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızı ve çeşitli omik yük değerlerinde çalıştırılması sonucu ölçülen değerler gösterilmiştir.

156 129 Çizelge Tek fazlı jeneratörün 500 d/dk hızda yüklü çalışmasına ait deney değerleri Yük (Ohm) Yük Gerilimi (Etkin Değer) (V) Yük Akımı (Etkin Değer) (A) Çıkış Gücü (W) 1 3,88 11,16 15, ,17 4,01 74, ,58 2,77 49, ,47 0,81 19,40 Resim 8.16 da, tek fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızında değişik omik yük değerleri için üretmiş olduğu faz geriliminin osiloskop ekranındaki görüntüsü gösterilmiştir. (a) (b) (c) (d) Resim Tek fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızında yüklü çalışmasına ait çıkış gerilimlerinin osiloskop görüntüleri, yük değeri: (a) 1 ohm, (b) 5 ohm, (c) 10 ohm, (d) 20 ohm

157 130 Şekil 8.16 da Tek fazlı jeneratörün 500 d/dk hızında değişik omik yük değerlerinde deneysel olarak ölçülen gerilim, akım ve güç değerlerinden oluşturulmuş grafik gösterilmiştir. Şekil Tek fazlı jeneratörün 500 d/dk hızı için çeşitli yük değerlerine göre akım gerilim güç grafiği Jeneratörün rotor hızı 300 den 500 d/dk ya çıkarıldığı için, üretilen güç, gerilim ve çekilen akım yaklaşık iki kat artmıştır. Çizelge 8.12 de, tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızı ve çeşitli omik yük değerlerinde çalıştırılması sonucu ölçülen değerler gösterilmiştir. Çizelge Tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk hızda yüklü çalışmasına ait deney değerleri Yük (Ohm) Yük Gerilimi (Etkin Değer) (V) Yük Akımı (Etkin Değer) (A) Çıkış Gücü (W) 1 7,44 18,60 55, ,49 7,40 257, ,59 4,40 182, ,37 1,57 73,60 Resim 8.17 de, tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızında değişik omik yük değerleri için üretmiş olduğu faz geriliminin osiloskop ekranındaki görüntüsü gösterilmiştir.

158 131 (a) (b) Resim Tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızında yüklü çalışmasına ait çıkış gerilimlerinin osiloskop görüntüleri, yük değeri: (a) 5 ohm, (b) 20 ohm Şekil 8.17 de, Tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk hızında değişik omik yük değerlerinde deneysel olarak ölçülen gerilim, akım ve güç değerlerinden oluşturulmuş grafik gösterilmiştir. Şekil Tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk hızı için çeşitli yük değerlerine göre akım gerilim güç grafiği Şekil 8.18 de, tek fazlı jeneratörün yük geriliminin değişik rotor hızları ve yük değerleri için değişimi gösterilmiştir. Bu grafik, tek fazlı jeneratörün yüklü çalışmasına ait deneysel verilerden oluşturulmuştur. Buna göre; jeneratör sabit bir yük değeri altında çalışırken, rotor hızı kademeli olarak arttırıldığında, jeneratörün ürettiği gerilim de artmıştır. Jeneratör sabit bir rotor hızında çalışırken, jeneratör yüklendikçe ürettiği gerilim düşmüş ve yükü azaltıldıkça da ürettiği gerilim artmıştır.

159 132 Jeneratör için 5 ohm yük değeri kritik bir değer olup 5 ohm değerinden daha düşük dirençli yük değerlerinde, gerilim ani olarak düşmektedir. Şekil Tek fazlı jeneratörün değişik yük ve rotor hızlarındaki yük-gerilimi grafiği Şekil 8.19 da tek fazlı jeneratörün yük akımının, değişik rotor hızları ve yük değerleri için değişimi gösterilmiştir. Buna göre; jeneratör sabit bir yük değeri altında çalışırken, rotor hızı kademeli olarak arttırıldığında, jeneratörün akımı da artmıştır. Jeneratör sabit bir rotor hızında çalışırken, jeneratör yüklendikçe akımı artmış ve yükü azaltıldıkça da akımı da azalmıştır. 5 ohm değerinden daha küçük dirençli yük değerlerinde akım ani olarak artmaktadır. Şekil Tek fazlı jeneratörün değişik yük ve rotor hızlarındaki yük akımı grafiği Şekil 8.20 de tek fazlı jeneratörün çıkış gücünün değişik rotor hızları ve yük akımına göre değişimi gösterilmiştir. Buna göre:

160 133 Şekil Tek fazlı jeneratörün değişik yük değerleri ve rotor hızları için çıkış gücü grafiği Jeneratör, rotorun hızına bağlı olarak, her bir hız değeri için farklı bir yük noktasında maksimum güç üretmektedir. Rotor hızına göre farklılık gösteren bu kritik yük noktasından daha büyük veya daha küçük yük değerlerinde maksimum güç elde edilememektedir. Kritik yük değerinin rotor hızına bağlı olarak değişmesi doğal bir sonuçtur. Çünkü rotor hızı değiştikçe jeneratörün sargı empedansı da değişmektedir. Bu sebeple, maksimum güç teoremi de dikkate alındığında her bir rotor hızı için farklı yük değerlerinde maksimum gücün elde edilmesi beklenen bir sonuçtur. Jeneratör 200 d/dk rotor hızı için 13 W, 500 d/dk için 75 W ve 1000 d/dk için 257 W maksimum güç üretmiştir Şekil 8.21 de tek fazlı jeneratör veriminin, değişik rotor hızları ve yük değerleri için değişimi gösterilmiştir. Buna göre: Şekil Tek fazlı jeneratörün değişik yük ve rotor hızlarındaki verim grafiği

161 134 Verim, çıkış gücüyle tanımlanan bir değer olduğu için doğal olarak çıkış gücünün karakterini takip eder. Jeneratör sabit bir rotor hızında çalışmakta iken jeneratörün yükü değiştirilirse, çıkış gücünün değeri değişeceği için verimin de değeri değişecektir (Eşitlik 4.58). Jeneratörün en düşük verimi 200 d/dk rotor hızında 1 ohm yük değerinde yaklaşık %1,6 olarak gerçekleşirken, en yüksek verim ise 1000 d/dk rotor hızında 40 ohm yük değerinde yaklaşık %90 olarak gerçekleşmektedir. Şekil 8.22 de, tek fazlı jeneratör veriminin, değişik rotor hızları ve yük değerleri için değişimi gösterilmiştir. Buna göre: Rotorun bütün hız değerleri dikkate alındığında, 5 ohm, jeneratör veriminin en yüksek olduğu yük değeridir. 5 ohm yük değerinin altındaki ve üstündeki yük değerlerinde jeneratör verimi önemli ölçüde düşmektedir. Şekil Tek fazlı jeneratörün değişik yük ve rotor hızlarındaki verim grafiği Tek fazlı jeneratörün harmonik ölçümleri Tek fazlı jeneratörün gerilim sinyaline ait harmonik ölçümleri, jeneratörün yüksüz ve yüklü durumları için ayrı ayrı yapılmıştır. Harmonik ölçümleri, harmonik ölçümü yapabilen bir güç analizörü vasıtasıyla yapılmış olup görüntüleri kaydedilmiştir. Resim 8.18 de, tek fazlı jeneratörün yüksüz halde değişik rotor hızları için üretmiş olduğu gerilim sinyalinin harmonik görüntüsü gösterilmiştir. Jeneratör, d/dk rotor hızı aralığında yüksüz olarak çalıştırılmış olup tespit edilen toplam

162 135 harmonik bozulma (THD) miktarı, maksimum %9 olarak tespit edilmiştir. Bu değer 300 d/dk rotor hızı durmunda kaydedilmiştir. Rotor hızı arttıkça, harmonik bozulmanın azaldığı görülmüş, ancak minimum değere 1000 d/dk lık rotor hızında ulaştığı bulunmuştur. Bu değer %7,1 dir. (a) (b) (c) (d) Resim Tek fazlı jeneratörün yüksüz olarak değişik rotor hızında çalıştırılmasına ait gerilim sinyallerinin harmonik ölçümleri, rotor hızı: (a) 300 d/dk, (b) 500 d/dk, (c) 800 d/dk, (d) 1000 d/dk Resim 8.19 da tek fazlı jeneratörün, 300 d/dk rotor hızında 5 ve 20 ohm ve yüklü durumu için üretmiş olduğu gerilim sinyalinin harmonik görüntüsü gösterilmiştir. (a) (b) Resim Tek fazlı jeneratörün 300 d/dk rotor hızı ve değişik yükdeğerlerinde çalıştırılmasına ait gerilim sinyallerinin harmonik ölçümleri, yük değeri: (a) 5 ohm, (b) 20 ohm

163 136 Resim 8.20 de tek fazlı jeneratörün, 500 d/dk rotor hızında 5 ve 20 ohm ve yüklü durumu için üretmiş olduğu gerilim sinyalinin harmonik görüntüsü gösterilmiştir. (a) (b) Resim Tek fazlı jeneratörün 500 d/dk rotor hızı ve değişik yükdeğerlerinde çalıştırılmasına ait gerilim sinyallerinin harmonik ölçümleri, yük değeri: (a) 5 ohm, (b) 20 ohm Resim 8.21 de tek fazlı jeneratörün, 1000 d/dk rotor hızında 5 ve 20 ohm ve yüklü durumu için üretmiş olduğu gerilim sinyalinin harmonik görüntüsü gösterilmiştir. (a) (b) Resim Tek fazlı jeneratörün 1000 d/dk rotor hızı ve değişik yükdeğerlerinde çalıştırılmasına ait gerilim sinyallerinin harmonik ölçümleri, yük değeri: (a) 5 ohm, (b) 20 ohm Jeneratör, 300, 500, 800 ve 1000 d/dk rotor hızı aralığında yüklü ve yüksüz olarak çalıştırılmış ve harmonik ölçümü yapılmıştır. Şekil 8.23 te, ölçülen THD değerleri grafik olarak gösterilmiştir. Jeneratörün yüksüz durumda 300 d/dk rotor hızındaki THD değeri %9 iken 1000d/dk rotor hızındaki değeri ise %7,1 dir. Jeneratörün yüklü durumdaki THD değeri, 5 ohm yükte ve 1000 d/dk rotor hızında %5,5 olup minimum değerdedir. Yüklü durum için, THD nin maksimum değeri ise 20 ohm yükte ve 300 d/dk rotor hızında %8,8 olarak gerçekleşmektedir.

164 137 Şekil Tek fazlı jeneratörün yüklü ve yüksüz durumu için hıza bağlı THD değerleri Deneyler sonucunda elde edilen verilere göre; jenertör veriminin ve çıkış gücünün en yüksek olduğu rotor hızı değeri 1000 d/dk dır. Bu da jeneratörün anma hızının 1000 d/dk ve anma gücünün 257 W olduğunu gösterir. Jeneratörün anma akımının ise 7,4 A olduğu tespit edilmiştir Çizelge 8.13 te jeneratörün anma değerleri gösterilmiştir. Çizelge Tek fazlı jeneratörün anma değerleri Anma gücü 257 W Anma akımı 7,4 A Anma gerilimi 35,5 V Anma hızı 1000 d/dk Verim %90

165 BENZETİM VE DENEYSEL SONUÇLARIN KIYASLANMASI 9.1. Üç Fazlı Jeneratörün Benzetim ve Deney Sonuçlarının Kıyaslanması Şekil 9.1 de üç fazlı jeneratörün yüksüz ve yüklü durumu için, çıkış geriliminin benzetim ve deney sonuçlarının kıyaslanması gösterilmiştir. (a) (b) (c) (d) Şekil 9.1. Üç fazlı jeneratörün yüksüz ve yüklü durumu için çıkış geriliminin benzetim ve deney sonuçlarının kıyaslanması (a) yüksüz, (b) rotor hızı 300 d/dk, (c) rotor hızı 500 d/dk, (d) rotor hızı 1000 d/dk Üç fazlı jeneratörün gerilim sinyallerine ait benzetim ve deney sonuçları bir birine yakın ve kabul edilebilir düzeydedir. Yüksüz durum için benzetim ve deneysel sonuçlar birbirine oldukça yakındır. Rotor hızı arttıkça benzetim ve deney değerleri arasında fark meydana gelmektedir. Bunun sebebi de deneysel çalışmalarda sıkça rastlanan mekanik problemlerdir. Ayrıca jeneratörün yüklü çalıştırılmasında meydana gelen ısı ve ısınmaya bağlı olarak gerçekleşen etkiler benzetim

166 139 çalışmalarına dahil edilmemiştir. Dolayısıyla benzetim ve deneysel sonuçlar arasındaki fark bu sebeplerden kaynaklanmaktadır. Şekil 9.2 de üç fazlı jeneratörün 300, 500 ve 1000 d/dk rotor hızı ve çeşitli değerlerde yüklü durumu için akımın benzetim ve deney sonuçlarının kıyaslanması gösterilmiştir. (a) (b) (c) Şekil 9.2. Üç fazlı jeneratörün rotor hızı ve yük durumuna göre akımın benzetim ve deney sonuçlarının kıyaslanması (a) rotor hızı 300 d/dk, (b) rotor 500 d/dk, (c) rotor hızı 1000 d/dk Üç fazlı jeneratörün akım sinyallerine ait benzetim ve deney sonuçları karakteristik olarak birbirine benzemekte olup aralarında değer olarak az miktarda fark bulunmaktadır. Bunun sebebi, benzetim programında, jeneratörün gerçekte maruz kaldığı mekanik sürtünme, yatak ve mildeki zorlanmalar ve buna benzer şartların tanımlı olmamasıdır. Ayrıca benzetim de kullanılan yükler ve sargılar ideal duruma

167 140 yakın olup ısınma etkisi ihmal edilmiştir. Bu sebeple benzetim ve deneysel sonucun değer olarak bir miktar farklılık göstermesi doğal bir sonuç olarak görülmektedir. Şekil 9.3 te üç fazlı jeneratörün 300, 500 ve 1000 d/dk rotor hızı ve çeşitli değerlerde yüklü durumu için çıkış gücünün benzetim ve deney sonuçlarının kıyaslanması gösterilmiştir. (a) (b) (c) Şekil 9.3. Üç fazlı jeneratörün rotor hızı ve yük durumuna göre çıkış gücünün benzetim ve deney sonuçlarının kıyaslanması (a) rotor hızı 300 d/dk, (b) rotor 500 d/dk, (c) rotor hızı 1000 d/dk Literatürde yer alan bazı çalışmalarda, benzetim ve deneysel sonuçlar arasında farklar olabileceği, bu farkın üretim hatalarından, kullanılan malzemelerin özelliklerinin benzetim programlarında birebir tanımlanamamasından, özellikle hava aralığının uygulamada yaşattığı zorluklardan kaynaklanabileceği bildirilmiştir [7,80]. Üç fazlı jeneratörün de prototipinde mekanik olarak bazı problemlerle karşılaşılmıştır. Özellikle hava aralığının sabit tutulması önemli bir sorun olarak

168 141 kendini göstermiştir. Ayrıca mıknatıslar ve nüveler arasındaki çekim kuvveti, mil ve rulmanlardaki sürtünmeler de önemli bir problem olarak ortaya çıkmaktadır. Prototipte görülen bu tür sıkıntılar benzetim programında elbette ki görülmez. Doğal olarak bu problemlerin gerilime, akıma ve nihayetinde güce etkileri olmaktadır. Benzetim sonuçları ve deneysel sonuçların farklılığı bundan kaynaklanmaktadır Tek Fazlı Jeneratörün Benzetim ve Deney Sonuçlarının Kıyaslanması Şekil 9.4 te, tek fazlı jeneratörün yüksüz ve yüklü durumu için, çıkış geriliminin benzetim ve deney sonuçlarının kıyaslanması gösterilmiştir. (a) (b) (c) (d) Şekil 9.4. Tek fazlı jeneratörün yüksüz ve yüklü durumu için çıkış geriliminin benzetim ve deney sonuçlarının kıyaslanması (a) yüksüz, (b) rotor hızı 300 d/dk, (c) rotor hızı 500 d/dk, (d) rotor hızı 1000 d/dk

169 142 Tek fazlı jeneratörün gerilim sinyallerine ait benzetim ve deney sonuçları bir birine oldukça yakın ve kabul edilebilir düzeydedir. Rotor hızı arttıkça benzetim ve deney değerleri arasındaki fark az miktarda artmıştır. Şekil 9.5 te tek fazlı jeneratörün 300, 500 ve 1000 d/dk rotor hızı ve çeşitli değerlerde yüklü durumu için akımın benzetim ve deney sonuçlarının kıyaslanması gösterilmiştir. (a) (b) (c) Şekil Tek fazlı jeneratörün rotor hızı ve yük durumuna göre akımın benzetim ve deney sonuçlarının kıyaslanması (a) rotor hızı 300 d/dk, (b) rotor 500 d/dk, (c) rotor hızı 1000 d/dk Tek fazlı jeneratörün akım sinyallerine ait benzetim ve deney sonuçları karakteristik olarak birbirine benzemekte olup birbirine oldukça yakın değerdedir.

170 143 Şekil 9.6 da tek fazlı jeneratörün 300, 500 ve 1000 d/dk rotor hızı ve çeşitli değerlerde yüklü durumu için çıkış gücünün benzetim ve deney sonuçlarının kıyaslanması gösterilmiştir. (a) (b) (c) Şekil 9.6. Tek fazlı jeneratörün rotor hızı ve yük durumuna göre çıkış gücünün benzetim ve deney sonuçlarının kıyaslanması (a) rotor hızı 300 d/dk, (b) rotor 500 d/dk, (c) rotor hızı 1000 d/dk Tek fazlı jeneratöre ait benzetim ve deneysel sonuçların tümü birbirine yakın çıkmış olup aralarındaki fark kabul edilebilir miktardadır. Gerilim ve akımın benzetim ve deney sonuçları birbirine yakın çıktıklarından gücün de benzetim ve deney sonuçları birbirine yakın çıkmıştır.

171 SONUÇ VE ÖNERİLER Ülkemizin en temel sorunlarından biri artan enerji talebini karşılamakta yaşanan sıkıntılardır. Enerji talebini karşılamak için ülke koşullarının göz önünde bulundurulması ve bu koşullara uygun çözümlerin geliştirilmesi gerekir. Maalesef, ülkemizde, enerji ihtiyacını karşılayan temel kaynakların başında gelen fosil kökenli yakıtlar yeteri kadar bulunmamaktadır. Fosil kökenli yakıtların ithalat yoluyla temini yurdumuza ek maliyet getirmektedir. Birçok ülkede olduğu gibi bizim ülkemizde de en fazla kullanılan enerji türlerinden biri elektrik enerjisidir. Elektrik enerjisinin elde edilme yöntemleri, ülke ekonomisini ve enerji problemlerinin çözümünü doğrudan etkilemektedir. Bu sebeple, etkin ve ekonomik olarak elektrik enerjisi elde etme yöntemleri büyük bir önem arz etmektedir. Yapılacak etkin çalışmalarla, farklı teknikler kullanılarak, ülkemize katkı sağlayacak yerli imkan ve yöntemlerle elektrik enerjisi elde edilebilir. Elektrik enerjisini verimli ve uygun maliyetle elde edebilmenin temel şartlarından biri de uygun özellikte jeneratörler tasarlamak ve imal etmektir. Yapılan literatür taramaları sonucunda, eksenel akılı sürekli mıknatıslı jeneratör tasarımı ve uygulamalarının dünya çapında, gün geçtikçe ilgi odağı haline geldiği tespit edilmiştir. Ülkemiz de ise bu konuda sadece birkaç çalışmaya rastlanmıştır. Bu sebeple bu tür çalışmaların ülke çapında geliştirilmesi önemli hatta stratejik bir husus olarak görülmüştür. Tez çalışmasında, tamamen özgün bir tasarım anlayışıyla, yerli imkanlar kullanılarak, iki jeneratör tasarımı ve uygulaması gerçekleştirilmiştir. Jeneratörlerin ikisi de eksenel akılı ve sürekli mıknatıslıdır. Jeneratörler geometrileri ve özellikle de nüve özellikleri bakımından tamamen yenilikçi ve özgündürler. Bu sebeple, tasarlanan her iki jeneratör için ilgili kurumlar nezdinde patent başvuruları yapılmış olup patent işlemleri devam etmektedir.

172 145 Jeneratörlerin her biri çift taraflı birer statora ve ikişer rotora sahiptir. Statoru oluşturan önemli kısımlardan biri nüvelerdir. Her bir jeneratörün nüve yapısı, birbirinden açısal olarak ayrı konumlandırılmış özdeş 12 nüveden oluşmakta ve her bir nüve katmanlı (lamine) olarak ince sacların uygun geometrilerde kesilip paketlenmesiyle meydana getirilmiştir. Jeneratörlerde kullanılan nüveler, sahip oldukları geometrileri sayesinde, statorun iki taraftan aktif olarak işlev görmesini ve statorun her bir tarafının farklı çapta olmasını sağlanmaktadır. Nüvelerin geometrisi nedeniyle, statorun nüve başları farklı çaplarda olduğu gibi iki rotorun da çapları bunlara uygun olarak farklıdır. Bu özelliğiyle, jeneratörde vuruntu torku (cogging torque) olarak adlandırılan ve istenmeyen tork özelliği çok önemli ölçüde azaltılmıştır [ ]. Her iki jeneratörün statorları oluksuzdur. Bobin yapıları ise dairesel sarımlı sargı tipinde olup her bir nüvede iki bobin bulunmaktadır. Tasarlanan ve prototip imalatı yapılan her iki jeneratör de 300 d/dk ve bunun üstündeki hız değerlerinde iyi bir alternatif akım üretebilmiştir. Tasarlanan jeneratörlerden biri tek fazlı olup anma hızı 1000 d/dk, anma akımı 7,4 A, gerilimi 35,5 V, gücü 257 W ve verimi de %90 dır. Tek fazlı jeneratörde 12 nüve ve 12 kutup çifti bulunmaktadır. Nüveler ve kutup çiftlerinin tamamı aynı anda bir birine denk gelmektedir. Bu sebeple aralarında çok güçlü bir çekim kuvveti meydana gelmektedir. Bu çekim kuvvetinden dolayı vuruntu momenti oluşmaktadır. Tasarlanan jeneratörlerden diğeri ise üç fazlıdır. Anma hızı 1000 d/dk, anma akımı 1,44 A, gerilimi 58 V, gücü 250 W ve verimi de %92,5 tir. Jeneratör üç fazlı sinüzoidal akım üretmektedir. Üç fazlı jeneratör, özellikleri bakımından tek fazlı jeneratörün oldukça geliştirilmiş halidir. Üç fazlı jeneratörde 12 nüve ve 16 kutup çifti bulunmaktadır. Nüve ve kutup çiftlerinin tamamı aynı anda birbirine denk gelmemektedir. Bu sebeple, nüve ve kutuplar arasında, tek fazlı jeneratöre göre, daha az çekim kuvveti meydana gelmektedir. Böylece vuruntu momentinin üç fazlı jeneratörde daha az olması sağlanmıştır. Tez çalışmasına konu olan jeneratörlerin daha profesyonel fabrikasyon teknikleri kullanılarak, imal edilmesiyle gerilim, akım, güç ve verim değerlerinin çok daha iyi

173 146 bir seviyeye getirilebileceği aşikardır. İmal edilen her iki jeneratör, rüzgar, su veya yakıt vasıtasıyla dönme hareketi elde edilebilmesi halinde, özellikle elektrik şebekesinin olmadığı kırsal alanlarda, bilhassa aydınlatma amaçlı olarak rahatlıkla kullanılabilir. Jeneratörler 28,5 kw/m 3 gibi iyi bir hacim güç oranına sahip olduklarından ve kolayca taşınabileceğinden birçok mobil uygulama alanında kullanılabilir. Yapılan deneysel ve benzetim çalışmaları sonucunda her iki jeneratörün de teorik çalışmalara uygun olarak, sinüzoidal dalga formuna sahip gerilim ürettikleri tespit edilmiştir. Tek fazlı jeneratörde harmonik bozulmanın üç fazlı jeneratörden daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Bunu sebebinin tek fazlı jeneratörde nüve ve mıknatıslar arasında meydana gelen çekim kuvvetinin fazla olması ve bunun yarattığı etkiler olduğu saptanmıştır. Üç fazlı jeneratörde ise harmonik bozulma yok denecek kadar az miktardadır ve çıkışında daha düzgün bir sinüzoidal gerilim alınmıştır. Jeneratörlerin ikisinde de rotor ve mil yapıları ayarlanabilir olduğundan, stator ile rotorlar arasındaki hava aralıkları da ayarlanabilmektedir. Bu da değişik değerlerde gerilim elde edilmesini sağlayan bir özelliktir. Her iki jeneratörün değişebilir yapısı kullanılarak, kolaylıkla stator veya rotor plakalarının sayıları arttırılabilir ya da azaltılabilir. Böylece değişik kombinasyonlarda farklı jeneratörler elde edilebilir. Jeneratörlerin tasarım ve optimizasyon işlemleri, üç boyutlu sonlu elemanlar yöntemi kullanan bilgisayar benzetim programıyla yapılmıştır. Benzetim programı jeneratörlerle ilgili elektriksel ve manyetik birçok özelliğin önceden tahmin edilmesini hatta görsel olarak görülmesini sağlamaktadır. Deneysel olarak çalışma yapmadan, jeneratörün bir çok özelliğinin iyileştirilmesine imkan tanımaktadır. Bu da, jeneratör tasarımında ve imalatında önemli derecede maliyet ve zaman avantajı sağlar. Jeneratörlerin benzetim ve deneysel çalışma sonuçları detaylı olarak kıyaslanmıştır. Üç fazlı jeneratörün benzetim ve deneysel çalışma sonuçlarında kısmen farklılıklar tespit edilmiştir. Bu farklılığın sebebi, jeneratör prototipinde meydana gelen mekanik

174 147 bazı problemlerin benzetim programında yaşanmamasıdır. Ancak yine de başarılı sonuçlar alındığı kanaatine varılmıştır. Tek fazlı jeneratörün benzetim ve deneysel çalışma sonuçları ise son derece uyumlu olmuştur. Nihai çalışmalarda deneysel uygulamalar yapılması zorunluluk arz etmektedir. Çünkü kullanılan malzemelerin gerçek uygulamalardaki davranışları, örneğin, eğilme, bükülme, ısınma, hareketten etkilenme, sürtünme ve bunun gibi daha birçok davranış ve bu davranışların akıma, gerilime, güce ve verime olan etkileri ancak gerçek koşullarda gerçek sonuçlarla test edilebilir. Jeneratör tasarımı ve imalatında teorik ve benzetim çalışmaları elbette çok önemlidir. Ancak imalat aşamasında bunlar kadar önemli olan bir husus ise malzeme bilgisidir. Kullanılacak malzemenin detaylı bir incelemesi ve araştırılması mutlaka yapılmalıdır. Hangi malzemenin istenen amaca uygun olacağının, maliyet hesabının, risk analizinin ve piyasa araştırmasının çok iyi bir şekilde yapılması gerekmektedir. Bu çaba hem maliyetleri önemli derecede azaltmakta hem de hata yapma ihtimalini düşürmektedir. İmalat aşamalarında mutlaka piyasa tecrübesinden de faydalanılmalı ve benzer çalışmalar incelenmelidir.

175 148 KAYNAKLAR 1. Yıldırız, E., Aydemir, M. T., Küçük güçlü bir rüzgar jenaratöründe kullanım için eksenel akıllı bir sürekli mıknatıslı motorun analizi, tasarımı ve gerçekleştirilmesi, Gazi Üniv.Müh.Mim.Fak.Der., 24(3): (2009). 2. Barave, S.P., Chowdhury, B.H., Optimal design of induction generators for space applications, IEEE Trans. Aerospace Electron. Sys., 45(3): (2009). 3. Rahaman, M.A., Permanent magnet synchronous motors-a review of state of design art, ICEM 1986,Athens, (1986). 4. Kliman, G.B., Composite rotor lamination for use in reluctance homopolar and permanent magnet motor, US Patent no , (1990). 5. Singh, B. Recent advantages in permanent magnet brushless dc motors, Sadhana, 22(6): ( 1997). 6. Singh, B.P., Dwivedi, S., A state of art on different configurations of parmenent magnet magnet brushless machines, IE (I) Journal El, 78: (2006). 7. Brown, N., Haydock, L., Full integration of an axial flux machine for reciprocating engine variable speed generating sets, IEE Seminar, Axial Airgap machines, 6(16):1-10 (2001). 8. Kurt, E., Aslan, S., Demirtaş, M., "Cogging torque exploration of radially and angularly directed fluxes in a new PM generator with the multiple stators", 7th. int. conf. & Exh. ecological vehicles and renewable energies EVER 12, Monaco, 1-8 ( 2012). 9. Guannan, D., Haifeng, W., Hui, G., Guobiao G., Direct drive permanent magnet wind generator design and electromagnetic field finite element analysis, IEEE Tran. Appl. Superconductivity, 20(3): (2010). 10. Wu, W., Ramsden, V.S., Crawford, T., Hill, G., "A low speed, high-torque, direct-drive permanent magnet generator for wind turbines", Industry Applications Conferenc IEEE, Rome, 1: (2000). 11. Chan, T.F., Lai, L.L., Shuming X., "Field Computation for an Axial Flux Permanent-Magnet Synchronous Generator", Energy Conversion, IEEE Transaction, 24(1): 1-11 (2009).

176 Chen, J. Y., Nayar C. V., A direct-coupled, wind-driven permanent magnet generator, Int.Conf. Energy Manage. Power Del. (EMPD 1998), 2: (1998). 13. Muljadi, E.., Butterfield, C. P., Wan, U. H., Axial-flux modular permanentmagnet generator with a toroidal winding for wind-turbine applications, IEEE Trans. Ind. Appl., 35 (4): (1999). 14. Chalmers, B. J.,Wu, W., Spooner E., An axial-flux permanent-magnet generator for a gearless wind energy system, IEEE Trans. Energy Conver., 14(2): (1999). 15. Spooner E., Williamson A. C., Direct coupled permanent magnet generators for wind turbine applications, Inst. Electr. Eng. Electr. Power Appl., 143(1): 1 7 (1996). 16. Spooner E., Gordon P., Bumby J. R., French,C. D., Lightweight ironlessstator PM generators for direct-drive wind turbines, Proc. Inst. Electr. Eng. Electr. Power Appl.,. 152(1): (2005). 17. Chen, Y., Pillay, P., Khan, A., PM wind generator topologies, IEEE Trans. Ind. Appl., 41(6): (2005). 18. Polinder, H., Van der Pijl, F. F. A., De Vilder, G.-J., Tavner, P. J., Comparison of direct-drive and geared generator concepts for wind turbines, IEEE Trans. Energy Convers., 21(3): (2006). 19. Wallace, R.R., Lipo, T.A., Moran, L.A.,Tapia, J.A., "Design and construction of a permanent magnet axial flux synchronous generator", Electric Machines and Drives Conference IEEE, Milwaukee, MA1/4.1 - MA1/4.3 (1997). 20. Chan, C. C., "Axial-field electrical machines-design and applications", IEEE Trans. on Energy Conversion, 2(2): (1987). 21. Plat, D., "Permanent magnet synchronous motor with axial flux geometry", IEEE Trans. on Magnetics, 25(4): (1989). 22. Rahman, M. A. "Analytical models for exterior type permanent magnet synchronous motors", IEEE Trans. on Magnetics, 23(5): (1987). 23. Bumby, J.R., Martin, R., Axial-flux permanent-magnet air-cored generator for small-scale wind turbines, Proc. IEE- Electrical Power Appl., 152(5): (2006). 24. Bumby, J.R., Martin, R., Axial flux permanent magnet generator for engine ıntegration, Published at the 12th International Stirling Engine Conference, Durham, (2005).

177 Parviainen, A., Pyrhönen, J., Niemala M., Axial flux interior permanent magnet synchronous motor with sinusoidaly shaped magnets, ISEF 2001, (2001). 26. Parlikar, V.V., Kurulkar, P.M., Rathod, K.P., Poonam, K.,"An axial-flux permanent magnet (AFPM) generator for defence applications - paradigm shift in electrical machine", ACEEE Int. J. on Electrical and Power Engineering, 03(01): (2012). 27. Sadeghierad, M., Lesani, H., Monsef, H., Darabi, A., "Design considerations of high speed axial flux permanent magnet generator with coreless stator", Power Engineering Conference, IPEC 2007, Singapore, (2007). 28. Ani, S.O., Polinder, H., Lee, J.Y., Moon, S.R., Koo, D.H., "Performance of axial flux permanent magnet generator for human power application", Power Electronics, Machines and Drives (PEMD 2012), 6th IET International Conference, Bristol, 1-5 (2012). 29. Caricchi, F., Crescimbini, F., Mezzetti, F., Santini, E., "Multistage axialflux PM machine for wheel direct drive", IEEE Transactions on Industry Applications, 32(4): (1996) 30. Chan, T.F., Lai, L. Lai., "An axial-flux permanent-magnet synchronous generator for a direct-coupled wind-turbine system", IEEE Transactions on Energy Conversion, 22(1): (2007). 31. Spooner, E., Chalmers, B.J., "TORUS: a slotless, toroidal-stator, permanentmagnet generator ", IEE Proceedings on Electric Power Applications, 139(6): (1992). 32. Carricchi, F., Crescimbini, F., Design and construction of a wheel-directly coupled axial flux PM motor for EVs, IEEE IAS, Denver, (1994). 33. Brooking, P.R.M., Bumby, J.R., An integrated engine-generator set with power electronic interface for hybrid electric vehicle applications, IEE International Conference on Power Electronics, Machines and Drive, (2002). 34. Rizk, J., Nagrial, M., "Design of permanent-magnet generators for wind turbines", Power Electronics and Motion Control Conference IPEMC 2000, Beijing, 1: (2000). 35. Bumby, J.R., Martin, R., Mueller, M.A., Spooner, E., Brown, N.L., Chalmers, B.J., "Electromagnetic design of axial-flux permanent magnet machines", Electric Power Applications, IEE, 151(2): (2004).

178 Brown, N., Scott, K., Lye, E., Bumby, J.R., and Spooner, E., "A comparison of iron-cored and ironless axial-flux PM machines ", Presented at the 36th Universities power engineering conference, Swansea, (2001). 37. Ramsden, V.S., Mecrow, B.C., Lovatt, H.C., Gwan, P., "A high efficiency inwheel drive motor for a solar-powered vehicle", IEE Colloqium on Electrical machine design for all-electric and hybrid-electric vehicles, London, 3: 1 6 (1999). 38. Carricchi, F., Crescimbini, F., "Design and construction of a wheel-directly coupled axial-flux PM motor for Evs", IEEE Industrial Applications Society Conf., NewYork, (1994). 39. Patterson, D., Spee, R., "The design and development of an axial flux permanent magnet brushless DC motor for wheel drive in a solar powered vehicle", IEEE Industrial Applications Society Conf., Denver, 1: (1994). 40. Al-Aawar, N., Hijazi, T.M., Arkadan, A.A., "Design optimization of axial-flux permanent magnet generator", Electromagnetic Field Computation (CEFC), th Biennial IEEE Conference, Chicago, 1 (2010). 41. Vansompel, H., Sergeant, P., Dupre, L., "Optimized design considering the mass influence of an axial flux permanent-magnet synchronous generator with concentrated pole windings", Magnetics, IEEE Transactions,46(12): (2010). 42. Andriollo, M., De Bortoli, G., Martinelli, A., Tortella, M., Permanent magnet axial flux disc generator for small wind turbines, 18th Int. Conf. Electrical Machines,Vilamoura, 1 6 (2008). 43. Qamaruzzaman, A., Pradikta, P., A. Dahono, "Analytical prediction of ınductances of slotless axial-flux permanent magnet synchronous generator using Quasi-3D method", International Journal on Electrical Engineering and Informatics, 1(2): (2009). 44. Mayouf.M., Rachid, A., "Modeling and optimization of wind turbine driving permanent magnet synchronous generator", Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering JJMIE, 5(6): (2011). 45. Xia, B., Jin, M.J., Shen, J.X., Zhang, A.G., "Design and analysis of an aircored axial flux permanent magnet generator for small wind power application", Sustainable Energy Technologies (ICSET), 2010 IEEE International Conference, Kandy, Sri Lanka, 1-5 (2010). 46. Wannakarn, P., Tanmaneeprasert, T., Rugthaicharoencheep, N., Nedphograw, S., "Design and construction of axial flux permanent magnet generator for

179 152 wind turbine generated DC voltage at rated power 1500 W", Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies (DRPT), th International Conference, Weihai, Shandong, (2011). 47. Fuchs, E.F., Fardoun, A.A., Carlin, P., Erikson, R.W., Permanent magnet machines with large speed variations. Windpower 92, Seattle, Washington, (1992). 48. Sadeghierad, M., Lesani, H., Monsef H., Darabi, A., "Detail modeling of high speed axial flux pm generator", Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 3(2): (2009). 49. Min-Fu H., Dorrell, D.G., Yu-Han Y., Ekram, S., "Cogging torque reduction in axial flux machines for small wind turbines", Industrial Electronics, IECON '09. 35th Annual Conference of IEEE, Porto, (2009). 50. Gholomian, S. A., Yousefi, A., "Power densitiy comparison for three phase non-slotted doublu-sided AFPM motors", Australian Journal of Basic Scienices, 4(12): (2010). 51. Weimin W., Cheng, K.W.E., Ding, K., Meng, L.C., "A novel approach to the analysis of the axial-flux permanent-magnet generator with coreless stator supplying a rectifier load", Magnetics, IEEE Transactions, 47(10): (2011). 52. Sadeghierad, M., Darabi, A., Lesani, H., Monsef, H., "Rotor yoke thickness of coreless high-speed axial-flux permanent magnet generator", Magnetics, IEEE Transactions, 45(4): (2009). 53. S. Javadi and M. Mirsalim, A coreless axial-flux permanent-magnet generator for automotive applications, IEEE Trans. Magn., 44(12): (2008). 54. Don-Ha, H., Ki-Chang, L., Do-Hyun, K., Yong-Joo, K., Kyeong-Ho, C., Doh- Young, P., "An modular-type axial-flux permanent magnet synchronous generator for gearless wind power systems", Industrial Electronics Society, IECON th Annual Conference of IEEE, 2: (2004). 55. Leung, W. S., Chan, J.C.C. A new design approach for axial-field electrical machines, IEEE Transactions on Power Apparutus System, PAS-99: (1980). 56. D.H. Kang, P. Curiac, and J. Lee, An axial flux interior PM synchronous machine, Pvaceedinzs ofthe ICEM 2000, Finland, : (2000). 57. Cingoski, V., Mikami, M., Yamashita, H., Computer simulation of a threephase brushless self-excited synchronous generator, IEEE Transactions on Magnetics, 35(3): (1999).

180 Tsekouras, G., Kiartzis, S., Kladas, A.G., Tegopoulos, J.A., Neural network approach compared to sensitivity analysis based on finite element technique for optimization of permanent magnet generators, IEEE Tmnsacfiuns on Magnetics, 37(5): (2001). 59. Ched, J., Nayar, C.V., Xu, L., Design and finite element analysis ofan outerrotor permanentmagnet generator for directly coupled wind turbines, IEEE Transactions on Mugrim cs, 36(5): (2000). 60. Aydin, M., Surong., Huang., Lipo, T.A., "Torque quality and comparison of internal and external rotor axial flux surface-magnet disc machines", Industrial Electronics, IEEE Transactions, 53(3): (2006). 61. Yicheng C., Pillay, P., "Axial-flux PM wind generator with a soft magnetic composite core", Industry Applications Conference, Fourtieth IAS Annual Meeting, 1: (2005). 62. Yicheng C., Pillay, P., Khan, A., "PM wind generator comparison of different topologies", Industry Applications Conference, th IAS Annual Meeting, 3: (2004). 63. Ying, C., Dong, W., "Finite element method analysis of surface-inserted permanent magnets synchronous generator", Electrical and Control Engineering (ICECE),Yichang, (2011). 64. Jian, L., Da-Woon, C., Yun-Hyun, C., "Development of a natural cooled axial flux permanent magnet generator for wind turbine", Industrial Electronics (ISIE), 2012 IEEE International Symposium, Hangzhou, (2012). 65. Caricchi, F.F., Honorati, O., "Modular axial-flux permanent magnet motor for ship propulsion drives", IEEE Trans. on Energy Conversion, 14: (1999). 66. Hosseini, S. M., "Design, prototyping, and analysis of a low cost axial-flux coreless permanent-magnet generator," Magnetics, IEEE Transactions, 44: (2008). 67. Dosiek, L., Pillay, P., "Cogging Torque Reduction in Permanent Magnet Machines", Industry Applications, IEEE Transaction, 43(6) (2007). 68. Kilk, A., Kallaste, A., "Multipole surface-mounted permanent magnet synchronous generators for wind applications", Power Quality and Supply Reliability Conference, Parnu, (2008).

181 Chan, T.F., Weimin W., Lai, L.L., "Magnetic field in a transverse- and axialflux permanent magnet synchronous generator from 3-D FEA", Magnetics, IEEE Transactions, 48(2): (2012). 70. Lee, S.-H., Park, S.B., Kwon, S.O., et al., Characteristic analysis of the slotless axial-flux type brushless DC motors using image method, IEEE Trans. Magn., 42(4) (2006). 71. Garrison, F. P., Todd, D. B., Comanescu, M., Muller, B. A., Design and testing of a permanent magnet axial flux wind power generator, 2008 IAJC- IJME International Conference, Nashville, (2008). 72. Qingling H., Qunjing W., "Design techniques for reducing cogging torque in low-speed permanent magnet wind power generator", Electrical Machines and Systems (ICEMS), Beijing, 1-3 (2011). 73. So-Young, S., Jae-Hoon J., Yu-Seop P., et al., "Improved analytical modeling of axial flux machine with a double-sided permanent magnet rotor and slotless stator based on an analytical method", Magnetics, IEEE Transactions, 48(11): (2012). 74. Gieras,J. F., Wang, R.J., Kamper, M. J., "Axial flux permanent magnet brushlessmachines", Alphenaanden Rijin, The Netherlands: Kluwer, (2004). 75. Chan, C.C., Axial-Field Electrical Machines-Design And Applications, IEEE Transaction On Energy Conv. 2(2): , (1987). 76. Aydin, M., Magnet skew in cogging torque minimization of axial gap permanent magnet motors, International Conference on Electrical Machines, Vilamoura, 1-6 (2008). 77. Sadeghierad, M., Darabi, A., Lesani, H., Design analysis of high-speed axialflux generator, American J. of Engineering and Applied Sciences, 1 (4): (2008). 78. Bumby, J.R., Stannard, N., Dominy, J., McLeod, N., "A permanent magnet generator for small scale wind and water turbines", Electrical Machines,ICEM th International Conference,Vilamoura, 1-6 (2008). 79. Vansompel, H., Sergeant, P., Dupre, L., Van den Bossche, A., "Axial-flux PM machines with variable air gap", Industrial Electronics, IEEE Transactions, 61(2): (2014). 80. Ji-Young, L., Dae-Hyun, K., Seung-Ryul M., Choong-Kyu H., "Design of an axial flux permanent magnet generator for a portable hand crank generating system", Magnetics, IEEE Transactions, 48(11): (2012).

182 Pop, A.A., Jurca, F., Oprea, C., Chirca, M., Breban, S., Radulescu, M.M.,"Axial-flux vs. radial-flux permanent-magnet synchronous generators for micro-wind turbine application", Power Electronics and Applications (EPE), th European Conference, Lille, 1-10 (2013). 82. Giulii Capponi, F., De Donato, G., Caricchi, F., "Recent advances in axial-flux permanent-magnet machine technology", Industry Applications, IEEE Transactions, 48(6): (2012). 83. Moury, S., "Design on low speed axial flux permanent magnet generators for marine current application", PhD thesis, Memorial Unv. of Newfoundland (2009). 84. Hewitt, A.J., "The E ects of Curvature on Axial Flux Machine Cores", PhD thesis, Faculty of Engineering & Surveying, The University of Southern Queensland (2005). 85. Soderlund, L., Eriksson, J-T., A permanent-magnet generator for wind power applications, IEEE Trans. Magn.. 32(4): (1996). 86. Gieras, J. F., Wang, R. J., Kamper, M. J., "Axial flux permanen magnet brushless machines", 2nd Edition, Springer (2008). 87. Gieras, J.F., Wing M., "Permanent magnet motor technology: design and applications", 2nd ed., Marcel Dekker, New York (2002). 88. Aydin, M., Guven, M.K., "Design of several permanent magnet synchronous generators for high power traction applications", Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), Chicago, (2013). 89. S, Huang., Aydin, M., Lipo, T.A., TORUS concept machines: pre-prototyping design assessment for two major topologies, 2001 IEEE Industry Applications Conference, Chicago, 3(30): (2001). 90. Ani, S.O., Polinder, H., Ferreira, J.A., "Low cost axial flux PM generator for small wind turbines", Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), IEEE, Raleigh, (2012). 91. Kamper,M.J., Wang, R.J., Rossouw, F.G., "Analysis and performance of axial flux permanent-magnet machine with air-cored nonoverlapping concentrated stator windings", IEEE Trans. Industry Applications, 44(5): (2008). 92. Wu, W., Spooner, E., Chalmers, B. J., Design of slotless TORUS generators with reduced voltage regulation, Proc. Inst. Electr. Eng. Electr. Power Appl., 142(5): ( 1995).

183 Parviainen, A., Pyrhonen, J., Kontkanen, P., "Axial flux permanent magnet generator with concentrated winding for small wind power applications", IEEE International Conference on Electric Machines and Drives, San Antonio, (2005). 94. Hakala, H., "Integration of motor and hoisting machine changes the elevator business", Int. Conf. on Electr. Machines ICEM 2000, Espoo, Finland, 3: (2000). 95. Parviainen, A., "Desıgn of axial-flux permanent-magnet low-speed machines and performance comparison between radial-flux and axial-flux machines", PhD thesis, Lappeenranta University of Technology (2005) 96. Ferreira, A. P., Costa, A. F., "Direct driven axial flux permanent magnet generator for small-scale wind power applications", International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ 11),Las Palmas de Gran Canaria (Spain) (2010). 97. Wang, R.J., Kamper, M.J., "Calculation of eddy current loss in axial field permanent magnet machine with coreless stator", IEEE Trans EC,19(3): (2004). 98. Ocak, C., "Mikro-hidroelektrik ve rüzgâr santralleri için düşük devirli eksenel akılı kalıcı mıknatıslı generatör tasarımı ve analizi", Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara (2009). 99. Zhang, Z., Matveev, A., Nilssen, R., Nysveen, A., "Large-diameter ironless permanent magnet generator for offshore wind power application", Electrical Machines (ICEM), Marseille, (2012) Chalmers, B.J., Spooner, E., Honorati, O., Crescimbini, F.,Caricch, F., "Compact permanent magnet machines", Electr. Machines and Power Systems, 25(6): (1997) Wanjiku, J.G., Jagau, H., Khan, M.A., Barendse, P.S., "Minimization of cogging torque in a small axial-flux PMSG with a parallel-teeth stator", Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), IEEE, , (2011) Fei, W., Luk, P.C.K., El-Hasan, T.S., "Rotor integrity design for a high-speed modular air-cored axial-flux permanent-magnet generator", Industrial Electronics, IEEE Transactions, 58(9): (2011) Di Gerlando, A., Foglia, G., Perini, R., Iacchetti, M., "Effects of manufacturing imperfections in concentrated coil axial flux pm machines: evaluation and tests", Industrial Electronics, IEEE Transactions, 99: 1 (2013).

184 Liew, G.S., Ertugrul, N., Wen Liang S., Gayler, J., "An ınvestigation of advanced magnetic materials for axial field brushless permanent magnet motor drives for automotive applications", Power Electronics Specialists Conference, PESC '06. 37th IEEE, Jeju, 1-7 (2006) Gerlando, A. D., et al., "High pole number, pm synchronous motor with concentrated coil windings," International Conference on Electrical Machines, ICEM 2004, Cracow, Poland, (2004) Magnussen, F., Sadarangani, C., "Winding factors and joule losses of permanent magnet machines with concentrated windings", IEEE International Electric Machines and Drives Conference, IEMDC'03, Madison, Wisconsin, (2003) Andriollo, M., De Bortoli, M., Martinelli, G., Morini, A., Tortella, A., "Analysis of the air-gap asymmetry in axial-flux permanent magnet generators", Electric Machines and Drives Conference, IEMDC '09. IEEE International, Miami, (2009) Vansompel, H., Sergeant, P., Dupre, L., "A multilayer 2-d 2-d coupled model for eddy current calculation in the rotor of an axial-flux PM machine", Energy Conversion, IEEE Transactions, 27(3): (2012) Wang, R.J., Kamper, M.J., Van der Westhuizen, K., Gieras, J.F., Optimal design of a coreless stator axial flux permanent magnet generator, IEEE Trans. on Mag., 41(1): (2005) Dorrell, D.G., Sze Song N., Cossar, C., "Comparison of high pole number ultra-low speed generator designs using slotted and air-gap windings", Magnetics, IEEE Transactions, 48(11): (2012) Wu, L., Zachas, A., Harley, R. G., Habetler, T. G., Divan, D. M., Design of a portable hand crank generating system to power remote off-grid communities, IEEE Power Africa Conf.-Expo., Johannesburg, 1-8 (2007) Mbidi, D.N., Van der Westhuizen, K., Wang, R., Kamper, M.J., Blom, J., "Mechanical design considerations of a double stage axial-flux PM machine", IEEE Ind. Appl. Conf., 1, (2000) Di Gerlando, A., Foglia, G. M., Iacchetti, M. F., Perini, R., "Evaluation of manufacturing dissymmetry effects in axial flux permanent-magnet machines: analysis method based on field functions," Mag., IEEE Trans. 48(6): (2012) Trong Duy N., King-Jet T., Shao Z., Hoan Thong N., "A novel axial flux permanent-magnet machine for flywheel energy storage system: design and analysis ", IEEE Trans. on Ind. Elect., 58(9): (2011).

185 Seok-Myeong J., Ji-Hoon P., Dae-Joon Y., Sang-Ho C., "Analysis on operational power and eddy current losses for applying coreless double-sided permanent magnet synchronous motor/generator to high-power flywheel energy storage system", Journal Of Applied Physics, (2009) Barbisio, E.,Fiorillo, F., Ragusa, C., Predicting loss in magnetic steels under arbitrary induction waveform and with minor hysteresis loops, IEEE Trans. Magn., 40(4): (2004) Deng, F., An improved iron loss estimation for permanent magnet brushless machines, IEEE Trans. Energy Convers., 14(4): (1999) Ling, Luo., Shu Ping Y., Nanfang Y., "Verification of permanent magnet synchronous generator for stand-alone wind power", Electrical Machines and Systems (ICEMS), International Conference, Beijing, 1-4 (2011) Yu-Seop, P., Seok-Myeong, J., Ji-Hwan, C., Jang-Young C., Dae-Joon, Y., "Characteristic analysis on axial flux permanent magnet synchronous generator considering wind turbine characteristics according to wind speed for smallscale power application", Magnetics, IEEE Transactions, 48(11): (2012) Aydin, M., Zhu, Z., Lipo Q., Howe D., Minimization of cogging torque in axial flux permanent-magnet machines: design concepts, IEEE Transactıons on Magnetıcs, 43(9): (2007) Gyeong-Chan, L., Tae-Uk, J., "Design of dual structural axial flux permanent magnet generator for small wind turbine", TENCON Spring Conference, IEEE, Sydney, (2013) Jahns, T. M., Soong, W. L., Pulsating torque minimization techniques for permanent magnet AC motor drives-a review, IEEE Trans. Ind. Electron., 43(2): (1996) Zhu, Z. Q., Howe, D., Influence of design parameters on cogging torque in permanent magnet machines, IEEE Trans. Energy Convers., 15(4): (2000) Berlec, M., Bratina, B., Srekl, M., Makuc, D., Miljavec, D., "Impact of production tolerances on losses in electrical machines", Compatibility and Power Electronics (CPE), th International Conference, Ljubljana, (2013) Bakarat, G., El-Meslouhi, T., Dakyo, B., Analysis of the cogging torque behavior of a two-phase axial-flux permanent magnet synchronous machine, IEEE Trans. Magnetics, 37(4): (2001).

186 Shmilovitz, D., "On the definition of total harmonic distortion and its effect on measurement interpretation", Power Delivery, IEEE Transactions, 20(1): (2005) Emanuel, A. E., Power in nonsinusoidal situations A review of definitions and physical meaning, IEEE Trans. Power Del., 5(3): (1990) Hoevenaars, T., LeDoux, K., Colosino, M., "Interpreting IEEE STD 519 and meeting its harmonic limits in VFD applications", Petroleum and Chemical Industry Conference, IEEE Industry Applications Society 50th Annual, (2003) Furlani, E. P., Computing the field in permanent-magnet axial-field motors, IEEE Trans. Magn., 30(5): (1994) Ji-Young, L., Seung-Ryul, M., Dae-Hyun, K., Do-Hyun, K., et al. "Comparative study of stator core composition in transverse flux rotary machine", Journal of Electrical Engineering & Technology, 6(3): (2011) Wibowo, H.A., Pradikta, A., Dahono, P.A., "An analysis of slotless axial flux permanent magnet generators", Power Engineering and Renewable Energy (ICPERE), Bali, 1-6, (2012) Kurt, U., "Eksenel akılı sürekli mıknatıslı senkron makineler için yeni tasarım modeli geliştirme", Doktora tezi, Ondokuzmayıs Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Samsun, (2006) Fenercioğlu A., Tarımer İ., Bir manyetik sistemin maxwell 3d alan simülatörü ile statik manyetik analizinin çözüm süreçleri, Selçuk University, Journal of Technical, Online Volume, 6(3), (2006) Yunkai H., Baoyun G., Jianning D., Heyun L., Jianguo Z., Youguang G., "3-D analytical modeling of no-load magnetic field of ıronless axial flux permanent magnet machine", Magnetics, IEEE Transaction, 48(11): (2012) Kurt, E., Gör, H., Demirtaş, M., Theoretical and experimental analyses of a single phase permanent magnet generator (PMG) with multiple cores having axial and radial directed fluxes, Energy Conversion and Management, 7: (2014) Kurt, E., Aslan, S., Gör, H., Demirtaş, M., Electromagnetic Analyses of two Axial-Flux Permanent Magnet Generators (PMGs), Power Engineering, Energy and Electrical Drives (POWERENG), 2013 Fourth International Conference, Istanbul, Turkey (2013).

187 Gör, H., Demirtaş M., Kurt, E., a new permanent magnet wind energy generator design with axial and radial directed fluxes, EWRES & ECRES The European Workshop & Conference on Renewable Energy Systems, Antalya, Turkey (2012) Gör, H., Kurt, E., Comparison of cogging torques in two dıfferent axial flux permanent magnet generators, EWRES, The European Workshop & Conference on Renewable Energy Systems, Antalya, Turkey (2013).

188 EKLER 161

189 EK-1. Kurt, E., Gör, H., Demirtaş, M., Theoretical and experimental analyses of a single phase permanent magnet generator (PMG) with multiple cores having axial and radial directed fluxes, Energy Conversion and Management, 7: (2014) 162

190 EK-1. (Devam) Kurt, E., Gör, H., Demirtaş, M., Theoretical and experimental analyses of a single phase permanent magnet generator (PMG) with multiple cores having axial and radial directed fluxes, Energy Conversion and Management, 7: (2014) 163

191 EK-1. (Devam) Kurt, E., Gör, H., Demirtaş, M., Theoretical and experimental analyses of a single phase permanent magnet generator (PMG) with multiple cores having axial and radial directed fluxes, Energy Conversion and Management, 7: (2014) 164

192 EK-1. (Devam) Kurt, E., Gör, H., Demirtaş, M., Theoretical and experimental analyses of a single phase permanent magnet generator (PMG) with multiple cores having axial and radial directed fluxes, Energy Conversion and Management, 7: (2014) 165

193 EK-1. (Devam) Kurt, E., Gör, H., Demirtaş, M., Theoretical and experimental analyses of a single phase permanent magnet generator (PMG) with multiple cores having axial and radial directed fluxes, Energy Conversion and Management, 7: (2014) 166

194 EK-1. (Devam) Kurt, E., Gör, H., Demirtaş, M., Theoretical and experimental analyses of a single phase permanent magnet generator (PMG) with multiple cores having axial and radial directed fluxes, Energy Conversion and Management, 7: (2014) 167

195 EK-1. (Devam) Kurt, E., Gör, H., Demirtaş, M., Theoretical and experimental analyses of a single phase permanent magnet generator (PMG) with multiple cores having axial and radial directed fluxes, Energy Conversion and Management, 7: (2014) 168

196 EK-1. (Devam) Kurt, E., Gör, H., Demirtaş, M., Theoretical and experimental analyses of a single phase permanent magnet generator (PMG) with multiple cores having axial and radial directed fluxes, Energy Conversion and Management, 7: (2014) 169

197 EK-1. (Devam) Kurt, E., Gör, H., Demirtaş, M., Theoretical and experimental analyses of a single phase permanent magnet generator (PMG) with multiple cores having axial and radial directed fluxes, Energy Conversion and Management, 7: (2014) 170

198 EK-1. (Devam) Kurt, E., Gör, H., Demirtaş, M., Theoretical and experimental analyses of a single phase permanent magnet generator (PMG) with multiple cores having axial and radial directed fluxes, Energy Conversion and Management, 7: (2014) 171

199 EK-2. Kurt, E., Aslan, S., Gör, H., Demirtaş, M., Electromagnetic analyses of two axial-flux permanent magnet generators (PMGs), Power Engineering, Energy and Electrical Drives (POWERENG), 2013 Fourth International Conference, Istanbul, Turkey (2013). 172

200 EK-2. (Devam) Kurt, E., Aslan, S., Gör, H., Demirtaş, M., Electromagnetic analyses of two axial-flux permanent magnet generators (PMGs), Power Engineering, Energy and Electrical Drives (POWERENG), 2013 Fourth International Conference, Istanbul, Turkey (2013). 173

201 EK-2. (Devam) Kurt, E., Aslan, S., Gör, H., Demirtaş, M., Electromagnetic analyses of two axial-flux permanent magnet generators (PMGs), Power Engineering, Energy and Electrical Drives (POWERENG), 2013 Fourth International Conference, Istanbul, Turkey (2013). 174

202 EK-2. (Devam) Kurt, E., Aslan, S., Gör, H., Demirtaş, M., Electromagnetic analyses of two axial-flux permanent magnet generators (PMGs), Power Engineering, Energy and Electrical Drives (POWERENG), 2013 Fourth International Conference, Istanbul, Turkey (2013). 175

203 EK-2. (Devam) Kurt, E., Aslan, S., Gör, H., Demirtaş, M., Electromagnetic analyses of two axial-flux permanent magnet generators (PMGs), Power Engineering, Energy and Electrical Drives (POWERENG), 2013 Fourth International Conference, Istanbul, Turkey (2013). 176

204 EK-3. Gör, H., Demirtaş M., Kurt, E., A new permanent magnet wind energy generator design with axial and radial directed fluxes, EWRES & ECRES The European Workshop & Conference on Renewable Energy Systems, Antalya, Turkey (2012). 177

205 EK-3. (Devam) Gör, H., Demirtaş M., Kurt, E., A new permanent magnet wind energy generator design with axial and radial directed fluxes, EWRES & ECRES The European Workshop & Conference on Renewable Energy Systems, Antalya, Turkey (2012). 178

206 EK-3. (Devam) Gör, H., Demirtaş M., Kurt, E., A new permanent magnet wind energy generator design with axial and radial directed fluxes, EWRES & ECRES The European Workshop & Conference on Renewable Energy Systems, Antalya, Turkey (2012). 179

207 EK-3. (Devam) Gör, H., Demirtaş M., Kurt, E., A new permanent magnet wind energy generator design with axial and radial directed fluxes, EWRES & ECRES The European Workshop & Conference on Renewable Energy Systems, Antalya, Turkey (2012). 180

208 EK-3. (Devam) Gör, H., Demirtaş M., Kurt, E., A new permanent magnet wind energy generator design with axial and radial directed fluxes, EWRES & ECRES The European Workshop & Conference on Renewable Energy Systems, Antalya, Turkey (2012). 181

209 EK-3. (Devam) Gör, H., Demirtaş M., Kurt, E., A new permanent magnet wind energy generator design with axial and radial directed fluxes, EWRES & ECRES The European Workshop & Conference on Renewable Energy Systems, Antalya, Turkey (2012). 182