Elektrikli Araçlar İçin Eksenel Akılı Çift Rotorlu Sabit Mıknatıslı Senkron Motor Tasarımı ve Analizi

Öz

Son yıllarda elektrikli araçlara olan ilgi giderek artmaktadır. Bunun en önemli sebepleri; büyük yerleşim merkezlerinde araba yoğunluğu nedeniyle oluşan çevre kirliliği, fosil yakıtların tükenmesi, dünyanın enerji kaynağı sıkıntısına girmesi, verimli ve maliyet etkin elektrikli motor ve sürücü teknolojisindeki ilerlemeler, elektrik enerjisinin depolanmasını sağlayan bataryalardaki gelişmeler ve sürüş güvenliliğinin ön plana çıkmasıdır. Elektrikli araçlarda enerji verimliliğini sağlayan en önemli etkenlerden biri motordur. Son yıllarda elektrik makineleri alanında baskın bir şekilde hâkim hale gelen sürekli mıknatıslı senkron motor sınıfından olan eksenel akılı sürekli mıknatıslı senkron motor, diğer motor türlerine göre birçok avantaja sahiptir. Uyarma alanı olmadığından rotor kayıplarının ciddi oranda azaltılması sebebiyle verimi daha yüksektir. Ayrıca eksenel akının vermiş olduğu en büyük avantajlardan birisi yüksek güç yoğunluğudur. Kilogram başına düşen enerji (watt/kg) miktarı diğer motor türlerine kıyasla oldukça iyi seviyededir. Bu makalede öncelikle seçilen Eksenel Akılı Çift Rotorlu Sabit Mıknatıslı Senkron Motor (TORUS Tipi) hakkında literatür taraması yapılmıştır. Literatür taraması ışığında elde edilen bilgilerle TORUS motor için bir analitik model oluşturulmuştur ve bu model optimizasyon kodlarına dökülerek Genetik Algoritma yöntemi ile optimizasyonu yapılmıştır. Yapılan optimizasyon çalışmasının çıktıları Ansys Maxwell-3D programı yardımıyla analiz edilerek doğrulanmış ve yaklaşık %95’lik doğruluk oranı elde edilmiştir.

Son yıllarda elektrikli araçlara olan ilgi giderek artmaktadır. Bunun en önemli sebepleri; büyük yerleşim merkezlerinde araba yoğunluğu nedeniyle oluşan çevre kirliliği, fosil yakıtların tükenmesi, dünyanın enerji kaynağı sıkıntısına girmesi, verimli ve maliyet etkin elektrikli motor ve sürücü teknolojisindeki ilerlemeler, elektrik enerjisinin depolanmasını sağlayan bataryalardaki gelişmeler ve sürüş güvenliliğinin ön plana çıkmasıdır. Elektrikli araçlarda enerji verimliliğini sağlayan en önemli etkenlerden biri motordur. Son yıllarda elektrik makineleri alanında baskın bir şekilde hâkim hale gelen sürekli mıknatıslı senkron motor sınıfından olan eksenel akılı sürekli mıknatıslı senkron motor, diğer motor türlerine göre birçok avantaja sahiptir. Uyarma alanı olmadığından rotor kayıplarının ciddi oranda azaltılması sebebiyle verimi daha yüksektir. Ayrıca eksenel akının vermiş olduğu en büyük avantajlardan birisi yüksek güç yoğunluğudur. Kilogram başına düşen enerji (watt/kg) miktarı diğer motor türlerine kıyasla oldukça iyi seviyededir. Bu makalede öncelikle seçilen Eksenel Akılı Çift Rotorlu Sabit Mıknatıslı Senkron Motor (TORUS Tipi) hakkında literatür taraması yapılmıştır. Literatür taraması ışığında elde edilen bilgilerle TORUS motor için bir analitik model oluşturulmuştur ve bu model optimizasyon kodlarına dökülerek Genetik Algoritma yöntemi ile optimizasyonu yapılmıştır. Yapılan optimizasyon çalışmasının çıktıları Ansys Maxwell-3D programı yardımıyla analiz edilerek doğrulanmış ve yaklaşık %95’lik doğruluk oranı elde edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Eksenel Akılı Çift Rotorlu Sabit Mıknatıslı Senkron Motor (TORUS)
• Elektrikli Araç
• Genetik Algoritma
• Optimizasyon
• Ansys-Maxwell 3D
• Tasarım

Kaynakça

1. Referans1 Hüner E. Toroidal Sargılı Açık Oluklu Eksenel Akılı Sabit Mıknatıslı NN Tip Motor Tasarımı ve Uygulaması. (Doktora tezi Marmara Üniveristesi), 2012.
2. Referans2 Libert F. Design, optimization and comparison of permanent magnet motors for a low-speed direct-driven mixer. Licentiate Thesis, Royal Institute of Technology, TRITA-ETS-2004-12, ISSN-1650-674x, Stockholm.
3. Referans3 Taran N, Ardebili M. A novel approach for efficiency and power density optimization of an axial flux permanent magnet generator through genetic algorithm and finite element analysis. 2014; IEEE 23rd International Symposium on Industrial Electronics (ISIE) (pp. 709-714). IEEE.
4. Referans4 Saavedra Ordóñez, H., Riba Ruiz, J. R., & Romeral Martínez, J. L. Multi-objective optimal design of a five-phase fault-tolerant axial flux PM motor. Advances in Electrical and Computer Engineering, 2015; 15(1), 69-76.
5. Referans5 Virtič P, Vražić M, & Papa G. Design of an axial flux permanent magnet synchronous machine using analytical method and evolutionary optimization. 2015; IEEE Transactions on Energy Conversion, 31(1), 150-158.
6. Referans6 Kahourzade S, Mahmoudi A, Gandomkar A, Rahim N. A, Ping H. W, Uddin M. N. Design optimization and analysis of AFPM synchronous machine incorporating power density, thermal analysis, and back-EMF THD. 2013; Progress In Electromagnetics Research, 136, 327-367.
7. Referans7 Rostami N, Feyzi MR, Pyrhonen J, Parviainen A, Behjat V. Genetic algorithm approach for improved design of a variable speed axial-flux permanent-magnet synchronous generator. 2012; IEEE Transactions on Magnetics, 48(12), 4860-4865.
8. Referans8 Yousefi B, Shirazi AN, Soleymani S, Gholamian SA. Genetic algorithm application for optimum design of three phases disk type PM motor. 2012; International Journal on Computational Sciences & Applications (IJCSA), 2(6), 1-7.

9. Referans9 Hwang CC, Li PL, Chuang FC, Liu CT, Huang KH. Optimization for reduction of torque ripple in an axial flux permanent magnet machine. 2009; IEEE Transactions on Magnetics, 45(3), 1760-1763.
10. Referans10 Gholamian SA, Ardebili M, Abbaszadeh K, Gholamian SA. Optimum design of slotted axial flux internal stator motor using genetic algorithm for electric vehicle. 2011; International Journal of Software Engineering & Applications (IJSEA), 2(3), 87.
11. Referans11 Hippolyte JL, Espanet C, Chamagne D, Bloch C, Chatonnay P. Permanent magnet motor multiobjective optimization using multiple runs of an evolutionary algorithm. 2008; IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (pp. 1-5). IEEE.
12. Referans12 Richard M. Axial flux permanent magnet machines for direct drive applications. http://etheses.dur.ac.uk. 2007.
13. Referans13 Du-Bar C. Design of an axial flux machine for an in-wheel motor application. 2011; Chalmers Reproservice, Göteborg.
14. Referans14 Yang Y, Shih G. Optimal design of an axial-flux permanent-magnet motor for an electric vehicle based on driving scenarios. 2016; Energies, 9(4), 285.
15. Referans15 Mahmoudi A, Ping HW, Rahim NA. A comparison between the TORUS and AFIR axial-flux permanent-magnet machine using finite element analysis. 2011; IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC) (pp. 242-247). IEEE.
16. Referans16 Huang S, Aydin M, Lipo TA. A direct approach to electrical machine performance evaluation: Torque density assessment and sizing optimization. 2002; In International Conference on Electrical Machines, volume Art (Vol. 235).
17. Referans17 Rahman KM, Patel NR, Ward TG, Nagashima JM, Caricchi F, Crescimbini F. Application of direct-drive wheel motor for fuel cell electric and hybrid electric vehicle propulsion system. 2006; IEEE Transactions on Industry Applications, 42(5), 1185-1192.
18. Referans18 Aydin M, Huang S, Lipo TA. Axial flux permanent magnet disc machines: A review. 2004; In Conf. Record of SPEEDAM (pp. 61-71).
19. Referans19 Jagiela M, Mendrela EA, Wrobel R. Current control for the smoothing of torque in a single-phase permanent-magnet disc motor using 3-D FEM. 2005; Electrical Engineering, 87(4), 191-196.
20. Referans20 Aydin M, Huang S, Lipo TA. Design and 3D electromagnetic field analysis of non-slotted and slotted TORUS type axial flux surface mounted permanent magnet disc machines. In IEMDC 2001; IEEE International Electric Machines and Drives Conference (Cat. No. 01EX485) (pp. 645-651). IEEE.
21. Referans21 Jayasundara JWKK, Munindradasa DAI. Design of multi phase in-wheel axial flux permanent magnet motor for electric vehicles. 2006; In First International Conference on Industrial and Information Systems (pp. 510-512). IEEE.
22. Referans22 Qiu-ling D, Feng X, Wen-tao H. Design of new-type axial flux permanent magnet in-wheel machine. 2010; International Conference on Electrical and Control Engineering (pp. 5831-5834). IEEE.
23. Referans23 Mahmoudi A, Kahourzade S, Ping HW, Gandomkar A. Design optimization and analysis of AFPM synchronous motor considering electrical and thermal parameters. 2013; 1st International Future Energy Electronics Conference (IFEEC) (pp. 562-567). IEEE.
24. Referans24 Libert F. Design, optimization and comparison of permanent magnet motors for a low-speed direct-driven mixer. 2004; Licentiate Thesis, Royal Institute of Technology, TRITA-ETS-2004-12, ISSN-1650-674x, Stockholm.
25. Referans25 Maia TA, Faria OA, Cardoso AA, Borges FS, Mendonça HG, Silva MA, Lopes BM. Electromechanical design for an optimized axial flux permanent magnet torus machine for 10kW wind turbine. 2011; International Conference on Electrical Machines and Systems (pp. 1-6). IEEE.
26. Referans26 Neethu S, Shinoy KS, Shajilal AS. FEA-aided design, optimization and development of an axial flux motor for implantable ventricular assist device. 2011; World Academy of Science, Engineering and Technology, 73, 93-97.
27. Referans27 Fasil M, Mijatovic N, Jensen BB, Holboll J. Finite-element model-based design synthesis of axial flux PMBLDC motors. 2016; IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 26(4), 1-5.
28. Referans28 Gholamian SA, Yousefi A. Power density comparison for three phase non-slotted double-sided AFPM motors. 2010; Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 4(12), 5947-5955.
29. Referans29 Gholamian SA, Ardebili M, Abbaszadeh K, Gholamian SA. Selecting of Slotted AFPM Motors with High Torque Density for Electric Vehicles. 2011; denT, 2, 4.
30. Referans30 Howey DA. Thermal design of air-cooled axial flux permanent magnet machines. 2010.
31. Referans31 Wang RJ. Design aspects and optimisation of an axial field permanent magnet machine with an ironless stator. (Doctoral dissertation, Stellenbosch: Stellenbosch University). 2003.
32. Referans32 Gieras JF, Wang RJ, Kamper MJ. Axial flux permanent magnet brushless machines. 2008; Springer Science & Business Media.
33. Referans33 Rao SS. Engineering optimization: theory and practice. John Wiley & Sons. 2009.
34. Referans[34] Mutluer M. Asenkron motor elektriksel eşdeğer devre parametrelerinin hibrid genetik algoritma yöntemiyle belirlenmesi (Doctoral dissertation, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü). 2007.