Hibrit araç uygulaması için kuplajsız çift sargılı elektrik makinası tasarımı ve prototiplenmesi
Design and prototyping of decoupled dual winding electric machine for hybrid electric vehicle application
Yazar: MURAT AYAZ
Danışman: PROF. DR. ENGİN ÖZDEMİR
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı / Elektrik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Teknik Eğitim = Technical Education

Özet:
Ulaşım sektöründe yüksek paya sahip olan karayolu araçlarında temiz enerji kullanımına verilen önem son yıllarda hızla artmaktadır. Günümüzde otomotiv sektörü zararlı emisyonları azaltarak, ekonomik ve yüksek verimli hibrit araçlar üretme eğilimindedir. Konvansiyonel araçlarda kullanılan İçten Yanmalı Motor (İYM) hem araç hareketini sağlamakta hem de araç içinde güvenlik ve konfor sağlayan yardımcı donanımları beslemektedir. Hidrolik direksiyon pompası, klima kompresörü, akü ile yardımcı elektrik yüklerini besleyen Lundell alternatörü gibi donanımlar araç hareketine bağlı olmaksızın kayış bağlantıları ile İYM tarafından tahrik edilmektedir.

Araç içinde bulunan elektrikli cam, ısıtmalı koltuk gibi aksesuarların elektriksel güç gereksinimleri düşük gerilim bataryası (12V) tarafından karşılanmaktadır. Hibrit araçlarda da bu tür yükler düşük gerilim bataryasından beslenmektedir. Hibrit araçlarda ayrıca bir yüksek gerilim bataryası mevcut olup, bu batarya elektrikli tahrik motorları generatör olarak kullanılarak ile şarj edilmektedir. Düşük gerilim bataryasının şarjı için hibrit araçlarda DC-DC dönüştürücü veya Lundell alternatör kullanılmaktadır. DC-DC dönüştürücü kullanılması durumunda maliyet artmakta, Lundell alternatörü kullanıldığında yeterli güç elde edilememektedir.

Bu çalışmada, hibrit araçlarda elektrikli aksesuar sürme sistemi (EASS) uygulamalarına yönelik çift sargılı bir elektrik makinası tasarlanmaktadır. Makinanın manyetik devresindeki sargılar konsantre sarım tekniği ile gerçekleştirilmektedir ve birbirinden bağımsız olması sağlanmaktadır. Tasarımı yapılan çift sargılı makina, aracın tahrik motorları durduğunda motor modunda çalıştırılarak mekanik güç ile beslenen donanımları tahrik etmektedir. Makinadaki ikinci sargıda üretilen düşük gerilim ile araç içindeki elektriksel yükler beslenmektedir. Önerilen yöntem sayesinde tek bir elektrik makinası ile aynı anda hem generatör hem de motor çalışma gerçekleştirilebilmektedir.  DC-DC dönüştürücü ihtiyacı ortadan kalkmaktadır, üretim maliyetleri azalmaktadır ve hibrit araçlar için son derece önemli olan hacimden kazanç sağlanmaktadır.

Abstract:
Motor vehicles have significant share in transportation industry and their traction by using clean energy is rapidly increasing in recent years. Today's automotive industry has tendency of manufacturing high-efficient hybrid electric vehicles (HEV) in order to reduce harmful emissions.  In conventional vehicles, internal combustion engine (ICE) provides power for traction of the vehicle and power for accessory loads in the vehicle.  Accessory loads, such as hydraulic steering wheel pump, air conditioner compressor, Lundell alternator increase safety and comfort level in vehicles. These loads are driven by internal combustion engine and require power whether the vehicle is in motion or not. In other words, even if the vehicle is not moving, ICE should not stop in order to provide power to accessory loads.

Accessories such as power window, heated seat are getting their power from low voltage battery that is 12 Volts in conventional vehicles. In HEVs, such loads are still powered by low voltage battery. Low voltage battery is charged by high voltage battery with the help of a DC/DC converter. High voltage battery is charged by traction motors while they are running as generator. Another option to charge low voltage battery in HEVs is to use Lundell alternator. DC/DC converter has a disadvantage of cost while Lundell alternator has disadvantages of insufficient power and large packaging space.

In this study, a dual winding electric machine is to be designed for electric accessory drive system (EADS) applications in HEVs. Windings of the electric machines will be concentrated winding and electrically and magnetically independent. When the traction motors of the vehicle shut down, the proposed dual-winding electric machine would run as motor and drive accessory loads. Secondary winding set in the electric machine will operate as a generator and supply low voltage needed for 12 volt battery charging and other electrical accessories. With the proposed technique, both motoring and generating operations can be implemented in a single housing of electric machine. This technique not only eliminates DC/DC converter from the system, which results in lower cost, but also offer solution for packaging space problems in HEVs.