Sonlu Elemanlar Yöntemi Tabanlı ANSYS-Maxwell Kullanılarak Elektrikli Araç Uygulamaları İçin Yüksek-Hızlı Motorların Tasarımı ve Performanslarının Karşılaştırılması

Öz

Elektrikli Araçların (EA) motorlarının boyut ve ağırlıklarındaki azalmalar sayesinde gelecekte bu motorların maksimum hızlarının ve çekiş güçlerinin artacağı tahmin edilmektedir. Yüksek hızlı motorların, geniş çalışma alanında yüksek çıkış gücü ve yüksek verimliliğe sahip olmasının yanı sıra, yüksek hızlar için rotorun yüksek mekanik mukavemete sahip olması gerekmektedir. Bu nedenle motorların avantaj ve dezavantajlarının hem elektriksel hem de mekanik açıdan değerlendirilmesi gerekmektedir. Bu araştırmada, 110 kW çıkış gücüne ve maksimum 46.000 rpm hıza ulaşması hedeflenen Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motor (KMSM) ve Anahtarlamalı Relüktans Motor (ARM) olmak üzere iki motor tipi, EA motor uygulamalarında kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Tasarım ve analiz için Sonlu Elemanlar Yöntemi (SEY) tabanlı çözüm gerçekleştiren ANSYS-Rmxpert-Maxwell programları ortak kullanılmıştır. Çalışmada, mekanik dayanıklılık ve elektriksel özellikleri bakımından elektrikli araç uygulamalarında yüksek hız, maksimum verimlilik ve yüksek çıkış gücü için en uygun motor tipinin hangisinin olabileceği açıklanmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Verim
• SEY
• Hız

Design and Performance Comparison of High-Speed Motors for Electric Vehicle Applications Using Finite Element Method Based ANSYS-Maxwell

Öz

Elektrikli Araçların (EA) motorlarının boyut ve ağırlıklarındaki azalmalar sayesinde gelecekte bu motorların maksimum hızlarının ve çekiş güçlerinin artacağı tahmin edilmektedir. Yüksek hızlı motorların, geniş çalışma alanında yüksek çıkış gücü ve yüksek verimliliğe sahip olmasının yanı sıra, yüksek hızlar için rotorun yüksek mekanik mukavemete sahip olması gerekmektedir. Bu nedenle motorların avantaj ve dezavantajlarının hem elektriksel hem de mekanik açıdan değerlendirilmesi gerekmektedir. Bu araştırmada, 110 kW çıkış gücüne ve maksimum 46.000 rpm hıza ulaşması hedeflenen Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motor (KMSM) ve Anahtarlamalı Relüktans Motor (ARM) olmak üzere iki motor tipi, EA motor uygulamalarında kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Tasarım ve analiz için Sonlu Elemanlar Yöntemi (SEY) tabanlı çözüm gerçekleştiren ANSYS-Rmxpert-Maxwell programları ortak kullanılmıştır. Çalışmada, mekanik dayanıklılık ve elektriksel özellikleri bakımından elektrikli araç uygulamalarında yüksek hız, maksimum verimlilik ve yüksek çıkış gücü için en uygun motor tipinin hangisinin olabileceği açıklanmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Verim
• SEY
• Hız

Kaynakça

1. Besharati, M.; Widmer, J.; Atkinson, G.; Pickert, V.; Washington, J. Super-high-speed switched reluctance motor for automotive traction. In Proceedings of the 2015 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Montreal, QC, Canada, 20–24 September 2015; pp. 5241–5248.
2. Bozhidar Stoev, George Todorov, Plamen Rizorv, Gerasimos Pagiatakis, Leonidas Dritdas―Finite element analysis of rotating electrical machines- an educational approach‖, IEEE Global Engineering Education Conference (EDUCON) 2017.
3. Bouscayrol A., Boulon L., Hofman T., Chan C.C., Special Section on Advanced Powertrains for More Electric Vehicles, IEEE Transactions on Vehicular Technology, 6 (3), 995 - 997, 2016.
4. Chau, K.T.; Chan, C.C.; Liu, C. Overview of Permanent-Magnet Brushless Drives for Electric and Hybrid Electric Vehicles. IEEE Trans. Ind. Electron. 2008, 55, 2246–2257.
5. Chan-Bae Park, Geochul Jeong, ―Design and Analysis of Magnetic-Geared Permanent Magnet Synchronous Motor for Driving Electric Vehicles‖, IEEE - International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2017.
6. Emma Arfa Grunditz, Torbjörn Thiringer, ―Performance Analysis of Current BEVs Based on a Comprehensive Review of Specifications‖, IEEE transactions on transportation electrification, vol. 2, no. 3, 2016.
7. K. Yamano, S. Morimoto, M. Sanada, Y. Inoue, ―Basic Study on Design of Surface Permanent Magnet Synchronous Motor Using Design Assist System of PMSM‖, IEEE - International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2016.
8. Lee J.H., Kim D., Song J., Jung S., Kim Y., Design of 100kW Propulsion Motor for Electric Conversion Vehicle Based on Vehicle Driving Performance Simulation, IEEE Transportation Electrification Conference and Expo, Busan-Korea (South), 412-416, 1-4, June, 2016.

9. Liu J., Gong C., Wu Z., Influence Research of Rotor Structure Parameters on the Performance of IPMSM, 20th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Sydney-Australia, 1-5, 11-14 August, 2017. Mr. A. Rakesh Kumar, Dr. Sanjeevikumar Padmanaban, ― Electric Vehicles for India: Overview and Challenges‖ , IEEE India Info. Vol. 14 No. 2, 2019.
10. Özüpak Y. Efficiency Analysis of BLDC for variable magnetic field. 2022. MANAS Journal of Motorering, Volume 10 (Issue 1) © 2022
11. Özüpak, Y., Investigation of the Effect of Design Parameters of Small Brushless DC Motors on Motor Performance by Finite Element Method, Brilliant Motorering, 3(2022), 4658. https://doi.org/10.36937/ben.2022. 4658.
12. Özüpak, Y. (2022). Re-Analysis of Internal Permanent Magnet Brushless DC Motor With Increased Magnet Dimensions. Ejons International Journal, 6(22), 353–365. Retrieved from https://ejons.org/index.php/ejons/article/view/294
13. Yamazaki, K.; Kumagai, M.; Ikemi, T.; Ohki, S. A Novel Rotor Design of Interior Permanent-Magnet Synchronous Motors to Cope with Both Maximum Torque and Iron-Loss Reduction. IEEE Trans. Ind. Appl. 2013, 49, 2478–2486.
14. Zhu S., Hu Y., Liu C., Wang K., Iron Loss and Efficiency Analysis of Interior PM Machines for Electric Vehicle Applications, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 65 (1), 114-124, 2018.