Elektrikli araçlar için gömülü sürekli mıknatıslı senkron makine tasarımının en uygunlaştırılmasına katkılar

Abstract

Tükenen fosil yakıtları, bu yakıtların maliyetlerinin artışı, çevre kirliliği, daha verimli ve daha dinamik sistemlere yönelik araştırmalar hibrit araçların ve nihayetinde ise elektrikli araçların gelişiminde etkili olmuştur. Bu araçların gelişimine paralel olarak, elektrikli tahrik sistemlerinin, dolayısı ile bu tahrik sistemlerinin elektrik makinelerinin gelişimine yönelik araştırmalar hız kazanmıştır. Geçmişten günümüze elektrikli ve hibrit araçlarda farklı türlerde elektrik motoru kullanılmıştır. İlk elektrikli araçlarda doğru akım motoru, asenkron motor, basit rotor yapılı sürekli mıknatıslı senkron motorlar sıkça tercih edilirken teknolojik gelişmelerle birlikte başarımları daha iyi olan gömülü sürekli mıknatıslı senkron makineler ve sürekli mıknatıs destekli senkron makineler daha çok tercih edilmeye başlanmıştır. Literatürde bu elektrik makinelerinin üstünlük ve olumsuzlukları araştırılarak belirtilmiştir. Günümüzde gömülü sürekli mıknatıslı senkron makineler, verimliliklerinin, güç yoğunluklarının, güç faktörlerinin yüksek, alan zayıflatma yeteneklerinin iyi olmasından dolayı ticari otomobil üreticiler tarafından en çok tercih edilen makine türü olmuştur. Bunun yanında ticari elektrikli otomobil elektrik makinelerinde motor başarımını iyileştirmek ve maliyetini azaltmak amacı ile iyileştirme çalışmaları yapılmaktadır. Bu çalışmada gömülü mıknatıslı senkron makinenin işletme başarımı üzerine etki eden birincil ve ikincil tasarım değişkenlerinin etkisi incelenmiştir. Birincil tasarım değişkenleri olarak motorun ana boyutları, stator oluk tasarımı tanımlanmış ve bu büyüklükler analitik olarak hesaplanmıştır. İkincil tasarım değişkenleri olarak rotorun analitik denklemlerle modellenmesi fazlası ile karmaşık olan büyüklükleri sınıflandırılmıştır. Rotorda mıknatısların gömülerek yerleştirildiği boşlukların boyutlandırılması ve mıknatısların konumu motor başarımı üzerinde doğrudan etkilidir. Ancak bu tasarım büyüklüklerinin etkisinin analitik olarak ifade edilmesi fazlası ile zordur. Buradan yola çıkarak mıknatısların ve mıknatıs boşluklarının boyutları ile şekilleri ve ayrıca rotor hacmindeki konumları ikincil tasarım büyüklükleri olarak tanımlanmıştır. Toplam olarak 7 ayrı rotor değişkeninin irdelenmesi hedeflenmiştir. Tasarıma ticari elektrikli otomobil modellerinin kütleleri ile birlikte, kullandıkları elektrik motor gücü ve buradan yola çıkılarak tasarlanacak olan elektrik motorunun gücü belirlenerek başlanmıştır. Yine ticari elektrikli otomobillerde kullanılan sürekli mıknatıslı motorların rotor yapıları incelenmiştir. Tasarımın ilk boyutlandırmasına analitik denklemler ile başlanmış olup, temel boyutlandırmalarda kullanılan moment yoğunluğu, stator dış çapının iç çapına oranı gibi büyüklükler yine ticari otomobil motorları literatürde incelenerek elde edilmiş ve tasarımda kullanılmıştır. Makinede kullanılan mıknatıs ve laminasyon malzemesi özellikleri verildikten sonra makinenin güvenilirliği açısından kritik olan mıknatısların kalıcı demanyetize olma riskleri göz önünde bulundurularak mıknatısların en küçük uzunluğu sonlu elemanlar analizi ile belirlenmiştir. Makinenin başarımı üzerine en etkili faktörlerden biri olan mıknatısların kaçak akısının olabildiğince azaltılması amacıyla, mıknatıs köprü boyutlarının en küçük sınırı sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak mekanik analizlerle belirlenmiştir. Mıknatıs köprü boyutları belirlenirken mekanik olarak güvenli bir rotor tasarımı hedeflenmiş ve merkez kaç kuvvetlerinden kaynaklı rotordaki mekanik zorlanmalar ve şekil değişiklikleri incelenmiştir. İlk tasarımda rotor bazı noktalarda yüksek mekanik zorlanmalara maruz kalmıştır. Ancak bu durumun köşeli geometrilerden kaynaklandığı görülmüş, köşeli geometriler giderilerek ilk tasarımda sorunlu olan yüksek mekanik zorlanmalar azaltılmıştır. Farklı güçlerde ve boyutlarda makine tasarımının ve analizinin çok hızlı bir şekilde yapılıp modellenebilmesi ve makine başarımının en iyileştirilmesi amacıyla, makine geometrisi değişkenlere bağlı olarak oluşturulmuştur. Bu değişkenlerden stator boyutları sabit olmak üzere, 7 tanesi kullanılarak rotor üzerinde bilgisayar destekli en uygunlaştırma yapılmıştır. En uygunlaştırmada hedef tasarım yüksek moment, yüksek moment/mıknatıs hacmi oranı ve düşük moment dalgalılığı olmuştur. En uygunlaştırma çalışmalarında örnek tasarımlar yine bilgisayar destekli olarak analiz edilmiş ve değişkenlerin, ulaşılmak istenen her bir motor başarım ölçütüne etkisi incelenmiştir. Değişkenler hedef işletme büyüklüğü üzerindeki etki derecelerine göre sınıflandırılmış ve o işletme büyüklüğü üzerinde en etkili olanların hedef başarım büyüklükleri ile olan ilişkileri yüzey grafiklerle incelenerek detaylandırılmıştır. Böylece analizlerde her tasarım değişkenin her bir başarım hedefine duyarlığı detaylandırılmıştır. Her bir hedef işletme büyüklüğü için etkili olan boyutlar seçilerek nihai tasarıma ulaşılmıştır. Elde edilen en uygunlaştırılmış makine bilgisayar destekli sonlu elemanlar yöntemi ile zamana bağlı detaylı olarak analiz edilmiş, elektromanyetik başarımı incelenmiştir. Buna ek olarak makine moment-hız karakteristiği ile birlikte, bu tüm çalışma aralığında verim ve moment dalgalılıkları elde edilmiştir. Son olarak makinenin sıvı soğutma kanalları tasarlanmış ve sonlu elemanlar yöntemi ile farklı yüklenmelerde ve farklı hızlarda sargı sonu ve mıknatıs sıcaklıkları incelenmiştir. Ayrıca sıcaklık analizleri sonucunda makinenin her bir parçasının ulaştığı sıcaklık değerleri elde edilmiştir. Çalışmanın sonucunda motor başarımı üzerine etkili olan rotor geometrik tasarım büyüklüklerinin ve şekillerinin belirlenmesi ve hesaplanması konusunda katkı yapan sonuçlara ulaşılması, başarımları daha yüksek motor tasarımının önü açılmıştır.