Elektrikli araçlar için mıknatıs oranı ve moment titreşimi azaltılmış yüksek verimli sürekli mıknatıslı senkron motor tasarım süreci ve gerçeklenmesi

Öz

Yakın gelecekte, petrol ürünlerine bağımlılığın azaltılması talebi ve emisyon kısıtlamaları, özellikle batarya, elektrik motoru ve güç elektroniği teknolojilerinin gelişmesi ile elektrikli araçların günlük yaşantımıza daha fazla girmesi kaçınılmaz olup, elektrikli araçlar hem otomotiv sektörünün hem de akıllı şebekelerin önemli bir unsuru olacaktır. Bu kapsamda, elektrikli araçların tahrik sisteminin ana parçası olan yüksek verim ve güç yoğunluklu, düşük moment dalgalanmalı, değişken hız değerlerine sahip ve mıknatıs oranı azaltılmış sürekli mıknatıslı senkron motorun tasarımı ve gerçeklenmesi hedeflenmiştir. Çalışmada öncelikle, gömülü mıknatıslı senkron motor tasarım sürecini kapsayan akış diyagramı oluşturulmuş ve elektrikli aracın gereksinimleri doğrultusunda motorun ana boyutları belirlenmiştir. Detaylı analitik analizlerle elektrik makinesinin temel büyüklüklerinin, rotor ve stator boyutlarının, sargı şekli ve yapısının belirlenmesi süreci uygulanmış ve sonlu elemanlar yöntemi ile çeşitli çalışma koşullarında nümerik analizler gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan motorun statorunda tek ve yüksek oluk sayısı kullanılarak oluşturulan simetrik olmayan sargı yapısıyla uzay harmonikleri, radyal kuvvetler ve vuruntu momentinin etkisi azaltılmıştır. Böylece, tasarıma özel 57 oluk yapısıyla moment titreşimleri ve vuruntu momenti azaltılmış bir tasarım gerçeklenmiştir. Rotor ve sürekli mıknatısların boyutları ve konumunda yapılan optimizasyon çalışmaları ile mıknatıs miktarının gerekli performansı sağlayacak şekilde minimuma indirilmesi sağlanmıştır. Motorun, termal ve yapısal dayanım analizleri yapılıp üretimi gerçekleştirilmiş ve oluşturulan test düzeneği üzerinde deneyler gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçlarla analiz sonuçlarının karşılaştırılması, tasarımda yapılan eniyilemelerle optimize edilen motor ve sürücü sistemi araca monte edilerek araç üzerinde performans ve yol testleri başarılı bir şekilde gerçekleştirilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Elektrikli araçlar,Sürekli mıknatıslı senkron motor,Sonlu elemanlar analizi,Moment titreşimi

Kaynakça

1. Ahman M., Primary energy efficiency of alternative powertrains in vehicles, Energy, 26 (11), 973-989, 2001.
2. Mun J. M., Park G. J., Seo S., Kim Y. J., Jung S. Y., Design characteristics of IPMSM with wide constant power speed range for EV traction, IEEE Trans. Magn., 53 (6), 1-4, 2017.
3. Yang Y., Castano S. M., Yang R., Kasprzak M., Bilgin B., Sathyan A., Emadi A., Design and comparison of interior permanent magnet motor topologies for traction applications, IEEE Trans. Transportation Electrification, 3 (1), 86-97, 2017.
4. Huynh T. A., Hsieh M. F., Performance evaluation of thin electrical steels applied to interior permanent magnet motor, IEEE 19th Int. Conf. Electrical Machines and Systems, 1-6, 2016.
5. Seo J. H., Kwak S. Y., Jung S. Y., Lee C. G., Chung T. K., Jung H. K., A research on iron loss of IPMSM with a fractional number of slot per pole, IEEE Trans. Magn., 45 (3), 1824-1827, 2009.
6. Jiang J. W., Bilgin B., Sathyan A., Dadkhah H., Emadi A., Noise and vibration reduction for IPMSM by using rotor circumferential slits, IEEE Int. Conf. Electric Machines and Drives (IEMDC), 1-8, 2017.
7. Castano S. M., Jiang J. W., Bilgin B., Sathyan A., Dadkhah H., Emadi, A., An investigation of slot-pole combinations for interior permanent magnet synchronous machines with different magnet topologies, IEEE International Con. Electric Machines and Drives (IEMDC), 1-8, 2017.
8. Li Y., Bobba D., Sarlioglu B., Design and optimization of a novel dual-rotor hybrid PM machine for traction application, IEEE Trans. Ind. Electron., 65 (2), 1762-1771, 2018.

9. Pyrhonen J., Jokinen T., Hrabovcova V., Design of rotating electrical machines, John Wiley & Sons, Birleşik Krallık, 2013.
10. Han S. H., Jahns T. M., Zhu Z. Q., Design tradeoffs between stator core loss and torque ripple in IPM machines, IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, IAS'08, 1-8, 2008.
11. Suzuki M., Sakai, K., Reduction of torque ripple for PM motor with toroidal winding, 19th Int. Conf. Electrical Machines and Systems (ICEMS), 1-6, 2016.
12. Yayla N., Karayolu Mühendisliği, Istanbul, Türkiye, 2002.
13. Arkkio A., Design of electrical machines lecturer notes, Aalto University, Finland, 2015.
14. Hendershot J. R., Miller T. J. E., Design of brushless permanent-magnet machines, Motor Design Books, A.B.D., 2010.Boduroğlu T., Elektrik makinaları dersleri, Cilt 3 Kısım 2, İstanbul Teknik Üniversitesi, Türkiye, 1986.
15. Kocabaş D. A., Asenkron Makinalarda Uzay Harmoniklerinin Etkilerini Azaltmaya Katkılar, Doktora tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2004.
16. JMAG Application Note, Thermal Analysis of an IPM Motor, 2014.
17. Sezenoğlu C., Aydoğan F., Kurnaz A. H., Akgül L., Erçin M. E., Elektrikli ve hibrit elektrikli araçlar için elektrik makinesi ve sürücüsü, Cadem A.Ş., Bursa, 2017.