Elektrikli araç uygulamalarında kullanılan sürekli mıknatıslı senkron motorun farklı rotor topolojilerinin karşılaştırılması
Comparison of different rotor topologies of permanent magnet synchronous motor used in electric vehicle applications
Yazar: BEKTAŞ AYBARS BALTA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ENGİN AYÇİÇEK ; ÖĞR. GÖR. MUSTAFA GÜRKAN AYDENİZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Sürekli mıknatıslı senkron motorlar = Permanent magnet synchronous motors

Özet:
Fosil yakıtların azalması, çevre kirliliği ve küresel ısınmanın giderek artması gibi sebeplerle elektrikli araçların kullanımı yaygınlaşmaktadır. Elektrikli araçlar; yüksek verimlilik, sessiz ve titreşimsiz çalışma, çevre dostu olması gibi pek çok avantaja sahiptir. Bunların yanında elektrik motoru, batarya ve kontrolcü teknolojilerinin de gelişmesiyle birlikte elektrikli araçlara olan ilgi artmaktadır. Elektrik motorları, yüksek güç yoğunluğu, yüksek verim, geniş moment-hız aralığı sunmaktadır. Bu sebeplerle elektrikli araçlarda kullanılan elektrik motorları için mühendislik anlamında pek çok araştırma, inceleme ve karşılaştırma çalışmaları yapılmaktadır. Bu çalışma kapsamında seri üretime geçmiş ve iyi satış rakamlarına ulaşmış olan elektrikli bir araçta kullanılmakta olan gömülü sürekli mıknatıslı senkron motor referans alınarak farklı rotor topolojilerine sahip gömülü sürekli mıknatıslı senkron motorların modelleme, analiz ve karşılaştırmaları yapılmıştır. Referans GSMSM ile ilgili literatürdeki modelleme ve test çalışmaları incelenmiştir. Bu çalışmalar yardımıyla referans GSMSM ANSYS Maxwell programında iki boyutta modellenmiş ve analizleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçların literatürdeki çalışmalar ile benzerlik taşıdığı görülmüştür. Karşılaştırılması yapılacak V şekilli, düz şekilli ve U şekilli gömülü sürekli mıknatıslı senkron motorlar, referans GSMSM'nin stator boyutları, sargı yapısı, rotor boyutları, manyetik malzeme türü ve sürekli mıknatıs malzeme türü aynı kalmak koşulu ile modellenmiş ve mıknatıs kalınlığı, mıknatıs genişliği gibi rotor geometri parametrelerinin performansa etkisi incelenmiştir. Sonuç olarak dört farklı yapıdaki gömülü sürekli mıknatıslı senkron motorun analizleri gerçekleştirilerek karşılaştırmaları yapılmıştır. Düz şekilli gömülü sürekli mıknatıslı senkron motor momenti 279,85 Nm ile en yüksek değere sahiptir. Moment dalgalanması bakımından V şekilli ve U şekilli gömülü sürekli mıknatıslı senkron motorlar sırasıyla 15,9 Nm ve 17,1 Nm ile düşük değerler elde edilmiştir. U şekilli gömülü sürekli mıknatıslı senkron motor %91 ile en düşük verime sahipken diğerleri benzer seviyededir. Vuruntu momentin de ise düz şekilli gömülü sürekli mıknatıslı senkron motorda en yüksek değer elde edilmiştir.

Abstract:
Due to reasons such as the depletion of fossil fuels, increasing environmental pollution, and global warming, the use of electric vehicles is becoming more widespread. Electric vehicles offer many advantages such as high efficiency, quiet and vibration-free operation, and environmental friendliness. Additionally, advancements in electric motor, battery, and controller technologies have further fueled interest in electric vehicles. Electric motors provide high power density, high efficiency, and a wide torque-speed range. Consequently, numerous research, examination, and comparison studies are being conducted in engineering for electric motors used in electric vehicles. In this study, interior permanent magnet synchronous motors with different rotor topologies were modeled, analyzed, and compared, taking as reference a commercially produced electric vehicle with interior permanent magnet synchronous motor that has achieved good sales figures. Modeling and testing studies from the literature related to the reference motor were reviewed. Using these studies, the reference motor was modeled and analyzed in two dimensions using ANSYS Maxwell software. The results obtained showed similarities to the studies in the literature. Interior permanent magnet synchronous motors with V-shaped, flat-shaped, and U-shaped rotor topologies were modeled under the condition that the stator dimensions, winding structure, rotor dimensions, magnetic material type, and permanent magnet material type were kept the same as the reference motor. The influence of rotor geometry parameters such as magnet thickness and magnet width on performance was examined. As a result, analyses of four different types of interior permanent magnet synchronous motors were conducted, and comparisons were made. The flat-shaped interior permanent magnet synchronous motor exhibited the highest torque at 279.85 Nm. In terms of torque ripple, the V-shaped and U-shaped interior permanent magnet synchronous motors achieved lower values of 15.9 Nm and 17.1 Nm, respectively. The U-shaped interior permanent magnet synchronous motor had the lowest efficiency at 91%, while the others were at similar levels. The flat-shaped interior permanent magnet synchronous motor also obtained the highest cogging torque moment.