Elektrikli araçlar için eksenel akılı asenkron motor tasarımı, mekanik ve ısıl analizi
Axi̇al flux induction motor design, mechanical and thermal analysis for electric vehicles
Yazar: MUSTAFA ÖZSOY
Danışman: DOÇ. DR. ORHAN KAPLAN ; PROF. DR. MEHMET AKAR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektrikli araçların gün geçtikçe yaygınlaşması, bu araçlarda kullanılan elektrik motorlarının da daha verimli olarak tasarlanmasını gerekli hale getirmiştir. Sınırlı hacimde yüksek verimli motor beklentisi, araştırmacıları eksenel akılı motorlara yönlendirmiştir. Bunun başlıca sebebi eksenel akılı motorların radyal akılı alternatiflerine göre daha yüksek tork yoğunluğunda çalışabilmeleridir. Yüksek tork yoğunluğu beklentisi ile akla ilk gelen sabit mıknatıslı motorlar, yapılarındaki mıknatısların nadir dünya elementleri kategorisinde ve neredeyse tekelleşen bir durumda olmalarından dolayı oldukça maliyetli hale gelmiştir. Ayrıca yüksek tork yoğunluğu ile çalıştırmanın sonucunda oluşan termal şartlar mıknatıslar için verimi düşüren bir etki oluşturmaktadır. Bu sebeplerden dolayı üreticilerin mıknatıssız fakat yüksek tork yoğunluğu ile çalışabilen elektrik motorlarına ilgisi artmıştır. Yapısında mıknatıs bulunması ve oturmuş teknolojisi ile eksenel akılı asenkron motorlar bu beklentilere yanıt verebilir. Yüksek tork yoğunluğu elde etmek amacıyla çift hava aralıklı olarak tasarlanan eksenel akılı asenkron motorlarda verim, sabit mıknatıslı alternatiflerine göre daha düşüktür. Düşük verimin en önemli sebeplerinden birisi yüksek akım yoğunluklarında çalıştırılan çift hava aralıklı eksenel akılı asenkron motorların bakır kayıplarıdır. Bu kayıp oranını azaltmak amacıyla bu tez çalışmasında kısa devre kafesi malzemesi olarak bakır kullanılmıştır. En yüksek verimi elde etmek için eksenel akılı asenkron motorun rotorunda altı farklı oluk geometrisi ilk kez kullanılarak hıza bağlı motor performans grafikleri elde edilmiştir. Belirlenen rotor oluk geometrileri alüminyum kısa devre kafesi ile elde edilen sonuçlarla kıyaslanarak en uygun rotor oluk geometrisi seçilmiştir. Belirlenen rotor oluğu optimize edilmiş ve yüksek verimli bir eksenel akılı asenkron motor tasarımı elde edilmiştir. Bu tasarımın üretime hazır prototipinin elde edilmesi amacıyla mekanik ve ısıl analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu sayede referans bir elektrikli araçta kullanımı manyetik, mekanik ve termal olarak doğrulanmış çift statorlu eksenel akılı bir asenkron motor elde edilmiştir. Tasarlanan motorda 50 kW nominal çalışma koşullarında 11, 74 A/mm2 akım yoğunluğunda, %94,5 verim elde edilmiştir.

Abstract:
The widespread use of electric vehicles has made it necessary to design the electric motors used in these vehicles more efficiently. The expectation of highly efficient motors in limited volume has led researchers to axial flux motors. The main reason for this is that axial flux motors can operate at higher torque density than radial flux alternatives. Permanent magnet motors, which come to mind first with the expectation of high torque density, have become quite costly since the magnets in their structures are in the category of rare earth elements and almost monopolized. In addition, because of operating with high torque density, thermal conditions create an effect that reduces the efficiency of magnets. For these reasons, the interest of manufacturers in electric motors that do not contain magnets but can operate with high torque density has increased. Axial flux induction motors can respond to these expectations with their magnet-free and established technology. The efficiency of axial flux induction motors, which are designed with double air gap to obtain high torque density, is lower than permanent magnet alternatives. One of the most important reasons for low efficiency is the copper losses of double air gap axial flux induction motors operated at high current densities. To reduce this loss rate, copper is used as squirrel cage material in this thesis.  To obtain the highest efficiency, speed dependent motor performance graphs were obtained by using six different slot geometries in the rotor of the axial-flux induction motor. The rotor slot geometries are compared with the results obtained with aluminium squirrel cage and the most suitable rotor slot geometry is selected. The rotor slot has been optimised and a high efficiency axial flux induction motor design has been obtained. Mechanical and thermal analyses were carried out to obtain a production ready prototype of this design. In this way, a double stator axial flux induction motor, which has been magnetically, structurally, and thermally verified for use in a electric vehicle, has been obtained. In the designed motor, 94.5% efficiency was achieved at a current density of 11.74 A/mm2 at 50 kW nominal operating conditions.