Elektrikli araç uygulamalarında kullanılan asenkron motor ile aynı stator geometrisine sahip sürekli mıknatıslı senkron motorun tasarımı, analizi ve karşılaştırılması
Design, analysis and comparison of permanent magnet synchronous motor and induction motor used in electric vehicle applications with same stator geometry
Yazar: EMİN TARIK KARTAL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ FATMA KESKİN ARABUL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Asenkron motorlar = Induction motors ; Elektrikli araçlar = Electric vehicles ; Motorlar = Motors ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Sürekli mıknatıslı senkron motorlar = Permanent magnet synchronous motors ; Tasarım = Design

Özet:
Günümüzde fosil yakıtların azalmasıyla birlikte içten yanmalı motorlu araçlara olan talep ve ilgi azalmaktadır. Temiz çevre ve ekoloji ihtiyacı artmakta, içten yanmalı motorlu araçlar atık ve emisyon değerleri dikkate alındığında verimli olamamaktadır. Yakıt verimi ve çevre dostu ürün talepleri, temiz enerji ve enerji tasarrufuna olan ilgiyi arttırmaktadır. Bu kapsamda elektrikli araçlar hem otomotiv sektöründe hem de günlük hayatımızda oldukça ilgi çekmektedir. Bu gelişmeler elektrikli araçlarda kullanılan tahrik motorları için mühendislik adına farklı araştırma, inceleme ve kıyaslama çalışmalarını ortaya çıkarmaktadır. Bu çalışma kapsamında, otomotiv sektöründe seri imalata geçmiş ve bir çok ülkede iyi satış rakamlarına ulaşmış elektrikli bir otomobilde halihazırda kullanılmakta olan ve Tesla marka s60 temel model araçta bulunan bir asenkron motor referans alınarak verim, çıkış gücü, moment ve moment dalgalanma değerleri daha iyi durumda olan gömülü sürekli mıknatıslı senkron motorun analiz ve tasarımı yapılmıştır. Referans alınan ve Tesla s60 Elektrikli Araçta kullanılan asenkron motora ait literatürdeki modelleme çalışmaları, firmanın bildirmiş olduğu patent yayınları ve otomotiv endüstrisinde yapılan test çalışmaları incelenerek, motora ait farklı stator sargı yapıları ve rotor oluk geometrileri tespit edilmiştir. Mevcut çalışmalar yardımı ile elde edilen bu farklı tasarımlar, ANSYS-Maxwell programında iki boyutta modellemesi yapılarak, analiz sonuçları karşılaştırmalı olarak verilmiş ve literatürdeki çalışmalar ile benzerlik gösterdiği görülmüştür. Gömülü sürekli mıknatıslı senkron motorun tasarımı ise referans asenkron motorun statoru ve motor uzunluğu aynı kalmak koşulu ile yapılmış ve stator sargı tipi,  rotor geometrisi, mıknatıs sıcaklığı, rotor kaykısı ve kontrol tekniği etkileri ayrıca incelenmiştir. Sonuç olarak iki boyutta analizleri yapılan gömülü mıknatıslı senkron motor tasarımı, başlangıç tasarımına göre moment dalgalanmasında %79 iyileşme, moment değerinde %13,3 ve çıkış gücünde de %13,31 artış gözlenirken; referans asenkron motora göre %3,32 daha verimli, %10,28 çıkış gücünde artış, %7,5 moment artışı ve %51,8 oranında moment dalgalanması iyileştirilerek yapılmıştır.

Abstract:
Today, with the decrease in fossil fuels, the demand and interest in internal combustion engine vehicles is decreasing. The need for clean environment and ecology is increasing, internal combustion engine vehicles cannot be efficient when their waste and emission values are taken into account. Fuel efficiency and environmentally friendly product demands increase the interest in clean energy and energy saving. In this context, electric vehicles attract a lot of attention both in the automotive sector and in our daily lives. These developments reveal different research, examination and comparison studies on behalf of engineering for propulsion motors used in electric vehicles. In this study, an induction motor in the Tesla brand s60 basic model vehicle, which is currently being used in an electric car that has started mass production in the automotive industry and has achieved good sales figures in many countries, is taken as reference, the interior permanent magnet synchronous motor is analyzed and designed with better efficiency, output power, torque and torque ripple values. Different stator winding structures and rotor slot geometries of the motor are determined by examining the modelling studies in the literature, the patent publications reported by the company and the benchmark studies in the automotive industry of the induction motor which is reference used in the Tesla s60 electric vehicle. These different designs, obtained with the help of existing studies, are modelled in two dimensions in the ANSYS-Maxwell program, the analysis results are given comparatively and it is seen that they are similar to the studies in the literature. The design of the interior permanent magnet synchronous motor is made with the stator of the reference induction  motor and the motor length remaining the same; the effects of stator winding type, rotor geometry, magnet temperature, rotor skew and control technique are also examined. As a result, the interior permanent magnet synchronous motor design, which is analyzed in two dimensions, showed 79% improvement in torque ripple, 13.3% increase in torque value and 13.31% increase in output power compared to the initial design; compared to the reference induction motor, it has 3.32% more efficient, 10.28% increase in output power, 7.5% torque increase and 51.8% torque ripple improvement.