Eksenel akılı fırçasız doğru akım motoru tasarımı ve radyal akılı fırçasız doğru akım motoruyla karşılaştırılması
Design an axial flux brushless direct current motor and comparison with a radial flux brushless direct current motor
Yazar: ERTUĞRUL YEŞİLBAĞ
Danışman: DOÇ. DR. LALE ERGENE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Tasarım optimizasyonu = Design optimization

Özet:
Elektrik enerjisine ve elektrikli ekipmanların temellerinden birini oluşturan elektrik motorlarına olan bağlılık ve ihtiyaç gün geçtikçe artan dünya nüfusu ile birlikte artmaktadır. Gelişen teknoloji ve değişen ihtiyaçlar ile birlikte daha küçük hacimli ve çoklu işlem yapma özelliği olan sistemlerin kullanımı ve tasarımları artmaktadır. Bu durum ise, kısıtlı bir alanda birçok elektronik bileşenin ve elektrik motorunun bir arada bulunmasını ve çalışmasını gerektirmektedir. Kullanılan elektrik motorlarının sayısının artması, artan enerji ihtiyacı ve daha küçük hacimli sistemlere karşı olan tutum, elektrik motorlarında yüksek verim ile hacim ve ağırlık kısıtlarını karşımıza çıkarmaktadır.
Verim, hacim ve ağırlık isterlerini karşılayabilen makineler olarak ön plana sürekli mıknatıslarla uyartılmış makineler çıkmaktadır. Bu makineler; en basit şekilde, kullanılması gereken elektromıknatıslar yerine kullanılan sürekli mıknatısların getirdiği, kayıpların ve ağırlığın azalması, güç yoğunluğunun (W/m3) artması gibi avantajlarla isterleri sağlayabilmektedirler. Sürekli mıknatıslı motorlardan olan ve üstün bazı avantajlarından dolayı günümüzde ön plana çıkan elektrik motorlarından birisi de sürekli mıknatıslı fırçasız doğru akım motorudur (FDAM – BLDC).
Fırçasız doğru akım motorları, motor içerisindeki akının izlediği yola bağlı olarak radyal akılı ve eksenel akılı olarak ikiye ayrılmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında çamaşır makinesi uygulamasında kullanılan radyal akılı fırçasız doğru akım motoru yerine daha düşük hacim, ağırlık ve maliyette, yüksek güç yoğunluğuna sahip bir eksenel akılı fırçasız doğru akım motoru tasarlanmış ve bu iki motorun karşılaştırmaları yapılıp birbirlerine göre üstünlükleri ortaya konulmuştur. 
Eksenel akılı motorun tasarımına başlanmadan önce, üretimde olan radyal akılı motor analizleri yapılmıştır. Üretimde olan ve incelenen motor; 24 oluklu, 4 kutuplu, rotorunda ferrit sürekli mıknatısları olan, nominal çalışmasında 530 min-1 hızında 1,2 Nm'lik çıkış momenti verebilen bir radyal akılı FDAM'dur. Eksenel akılı motor tasarımına başlanmadan önce üretimde olan radyal akılı motorun alınan plaka değerleriyle ve mekanik boyutlarıyla birlikte, sonlu elemanlar yöntemine (SEY) göre çalışan bir paket programda iki boyutlu modeli kurulmuş ve analizleri yapılmıştır. Yapılan analizler, motorun deney sonuçları ve plaka değeriyle karşılaştırılarak kurulan SEY modelinin tutarlılığı ortaya konulmuştur. 
Eksenel akılı motorlar, motor topolojisinde kullanılan stator ve rotor sayılarına göre sınıflandırılabilmektedir. Tasarlanan eksenel akılı motor çamaşır makinesi uygulamasında kullanılan radyal akılı motor yerine tasarlanmıştır ve çamaşır makinesi uygulaması düşük güçlü uygulamalar sınıfında yer almaktadır. Düşük güçlü uygulamalarda hacim, ağırlık ve maliyet kısıtları altında seçilen eksenel akılı FDAM tipi tek tabakalı bir rotor ve bir stator içeren motor modelidir. 
Eksenel akılı motor topolojisine karar verildikten sonra çıkartılan temel boyutlandırma denklemleri kullanılarak MATLAB® programı üzerinde, farklı kutup sayılarına göre, güç yoğunluğunu maksimum yapan bir algoritma geliştirilmiştir. Geliştirilen algoritma ile radyal akılı motorun çamaşır makinesi uygulaması için yerine getirmesi gereken 530 min-1 hızında, 1,2 Nm'lik çıkış momenti özelliklerini sağlanacak şekilde, farklı kutup sayıları için eksenel akılı motorlar tasarlanmıştır. Eksenel akılı motor tasarımlarında, radyal akılı motor ile karşılaştırma yapılabilmesi adına, radyal akılı motorda kullanılan malzemeler kullanılmıştır. Farklı kutup sayılarına göre yapılan tasarımlar arasından, maliyet, motorun üretilebilirliği ve güç yoğunluğu kısıtları gözetilerek uygun bir kutup sayısı seçilmiş ve eksenel akılı motorun temel boyutlandırması yapılmıştır. Temel boyutlandırma adımından sonra elektriksel tasarımı da yapılan eksenel akılı motorun analitik tasarımı tamamlanmıştır.
Analitik tasarımı tamamlanan eksenel akılı FDAM 12 oluklu, 8 kutuplu, üç fazlı stator sargısı olan ve mıknatısların rotor yüzeyine yerleştirildiği bir motordur. Eksenel akılı motorun SEY analizlerinin yapılabilmesi için üç boyutlu modeller gerekmektedir. Radyal motorun aksine eksenel motorda, eksenel değişimin çok olması ve akının eksen boyunca hareket etmesi çözümlerin doğruluğu açısından üç boyutlu model kurulmasını ve analiz yapılmasını zorunlu hale getirmiştir.
Radyal motor analizlerinde kullanılan SEY tabanlı paket program eksenel akılı motor için de kullanılmıştır. Çözüm sürelerinin ve bilgisayar bellek kullanımının azaltılması için eksenel akılı motorun çeyrek motor modeli üç boyutlu olarak kurulmuştur. Kurulan çeyrek motor modeli 4 oluk ve 2 kutup içermektedir, böylece simetri özelliğinden faydalanıp daha kısa sürelerde daha fazla benzetim yapma imkanı doğmuştur. Kurulan eksenel akılı motor modeli ile analizler yapılmış ve bu analiz sonuçları analitik tasarım sonuçlarıyla karşılaştırılarak, motor tasarımı doğrulanmıştır. Daha sonra yapılan SEY analizlerine eksenel ve radyal akılı motorların analitik olarak hesaplanmış verim, hacim, ağırlık ve maliyet verileri eklenerek ayrıntılı bir karşılaştırma yapılmıştır. 
Radyal akılı ve eksenel akılı FDAM'ları güç yoğunluğu, moment yoğunluğu, hacim, toplam ağırlık, maliyet, verim ve mil momentindeki titreşim başlıkları altında karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda tasarlanan eksenel akılı motor, radyal akılı motora göre %68,8 daha fazla güç yoğunluğuna, %209,6 daha fazla moment yoğunluğuna, %40,6 daha düşük hacme, %67,6 daha düşük ağırlığa ve %54,3 daha düşük maliyete sahiptir. Bunun yanında ise, eksenel akılı motorun verimi, radyal akılı motorun %52,67'lik verimine göre %31,9 artarak, %69,5 değerini almıştır. Eksenel motor tasarımına başlanırken hedeflenen durumlar gerçekleşmiş, yeni motor tasarımı ile birlikte güç yoğunluğu arttırılmış ve ağırlık ile hacim düşürülmüştür. Bu iyileştirmelerin yanında ise verimde de bir artış sağlanmıştır. Eksenel motorun radyal motora göre güç, moment yoğunluğunun artması hacmin ve ağırlığının azalmasının temel sebebi tasarımda kullanılan malzeme miktarının azaltılmasıdır. Eksenel ve radyal akılı motorlarda kullanılan malzeme miktarları incelendiğinde, kullanılan ferrit sürekli mıknatıs miktarlarının birbirlerine yakın oldukları görülmüştür. Bunun yanında stator ve rotor laminasyonlarında kullanılan ferromanyetik malzeme miktarı radyal motorda, eksenel motordakinin üç katından fazladır. Bu büyük farklılık ise radyal motorda, 2T civarında doymaya giren ferromanyetik malzemenin çok düşük seviyelerde kullanılmasıdır. Eksenel motorda ise ferromanyetik malzeme dirsek bölgesine yakın bölgede kullanılarak malzemeden çok daha fazla fayda sağlanmakta, bu da kullanılması gereken malzeme miktarını azaltmaktadır. Azalan ferromanyetik malzeme miktarı, hacmin ve ağırlığın küçülmesini güç ve moment yoğunluklarının eksenel motorda artmasını sağlamıştır. Ferromanyetik malzemeden faydalanma katsayısı artarken beraberinde malzemede meydana gelen histerezis ve girdap (eddy) kayıpları toplamından oluşan demir kayıpları artmaktadır. Kullanılan bakır iletken miktarı ise eksenel motorun daha küçük hacimli yapısı sonucu sarım uzunluğunun azalmasından dolayı radyal motora göre oldukça düşmüştür. Ayrıca faz sarım sayısı artmasına rağmen, faz direnci değeri radyal motora göre daha küçüktür. Bunun sebebi ise eksenel motorun yapısı sonucu sarım uzunluğunun radyal motorun sarım uzunluğuna göre oldukça kısalmasıdır. Her iki motor türü için de faz akımlarının değerleri yakın olduğundan, eksenel motorda azalan faz direnci beraberinde daha az bakır kaybı getirmektedir. Sonuç olarak, eksenel motorda demir kaybı artışına rağmen, verim üzerinde daha etkili ve büyük bir değere sahip bakır kaybındaki azalış, radyal motora göre verimi arttırmıştır. 
Mil momentinde oluşan titreşimler açısından ise,  %55 olan radyal akılı motorun mil momenti titreşimi, eksenel motor ön tasarımında artarak %72 değerini almıştır. Daha sonra mıknatıs açısı/kutup açısı oranı, kullanılan mıknatıs hacmi sabit tutularak değiştirilmiş ve eksenel motor momentindeki titreşim %27,5 değerine düşürülmüştür. 
Yapılan karşılaştırmalardan görüldüğü gibi, eksenel akılı motor tasarımı ile hedeflere ulaşmış ve karşılaştırılan her alanda tasarlanan eksenel akılı fırçasız doğru akım motoru üstün çıkmıştır ve çamaşır makinelerinde kullanılabilecek yeni bir motor olduğunu kanıtlamıştır.

Abstract:
Need and dependence on electrical energy and electrical motors that constitute one of the fundamental of electrical equipment are increasing with a growing world population. The necessity of the new designs which have compact and multitasking are also increased. These type of systems require various electronic components and electrical motors that must exist and work together in a narrow space. Increasing the number of used electrical motors, energy requirement with the attitudes toward compact system reveal the constraints that are high efficiency, low volume and low weight in electrical motors.
Electrical motors excited by permanent magnets come into prominence with the ability to satisfy the requirements of efficiency, volume and weight. With the simplest explanation, the usage of permanent magnets on rotor instead of electromagnets in conventional motors gives rise to lower weight and losses, and hence, it improves the volumetric power density (W/m3) and efficiency. The permanent magnets brushless motors can provide requirements on efficiency, volume and weight with these superior advantages. The permanent magnet brushless direct current (BLDC) motor that comes to fore with some outstanding features, is one of the permanent magnet motors.
BLDC motors are classified according to flux path in the motor; these are radial flux and axial flux BLDC motors. In this thesis, instead of a radial flux motor used in a  washing machine, an axial flux motor was designed with higher power density, lower volume and less weight. Later on, axial and radial flux motors are compared. 
Before starting the axial flux motor design, analysis of a radial flux motor already used in a washing machines is completed. Radial flux BLDC motor has 24 slots, 4 poles, ferrite type permanent magnets on the rotor, rated operation at 530 min-1 speed and 1,2 Nm shaft torque. Before starting the axial motor design, two dimensional model of radial flux motor was set up by using the mechanical and electrical specifications taken from the manufacturer. Two dimensional model was created in a package software programme that made analysis and calculations according to the finite element method (FEM). The radial motor was analysed and accuracy of 2 dimensional FEM motor model was proven by comparing FEM results with radial flux motor test results and rated values.
Axial flux motor can be classified according to a number of rotor and stator used in motor topologies. Designed axial flux motor is low power motor; this is because axial flux motor was designed as an alternative to the radial flux motor used in low power washing machine applications. In low power applications and under the volume, weight and cost constraints, the best choice of axial flux BLDC motor configuration is single sided topologies which are comprised of one stator and one rotor.
After specifying the axial flux motor topology, using the basic sizing equations for single sided motor that is deduced from literature, an analytical algorithm was created using MATLAB®. This algorithm designed for single sided axial flux BLDC according to maximum power density for a different number of poles. Axial flux motors were designed  by using developed MATLAB® algorithm for a different number of poles, to provide same nominal operation performance with radial flux 530 min-1 speed and 1,2 Nm shaft torque. The same materials such as stator, rotor laminations, ferrite permanent magnet and copper conductor were used while designing the axial flux motor to make a proper comparison of radial and axial flux motors. Under the cost, manufacturability and power density conditions, the optimum motor design was chosen for a proper number of poles, out of designed axial flux motors with a different number of poles, and then the basic sizing and electrical design of axial motor were done. Thus, the analytical design of the axial flux motor were completed.
The analytically designed axial flux motor has 12 slots, 8 poles, 3 phase stator windings and surface mounted magnets on the rotor. 3 dimensional model of axial flux motor is required in order to do FEM analysis. Contrary to the radial motor, a large change in axial axis and axial path of magnetic flux in axial motor made three dimensional model and analysis mandatory.
The same FEM based package program used in the radial analysis were used in axial flux BLDC motor analysis too. The quarter model of the axial motor was set up in order to decrease simulation time and memory usage. The quarter model contained 4 slots and 2 poles. Thus, taking advantage of symmetry, more simulations with shorter times were done. FEM analysis were performed by using the quarter three dimensional axial flux BLDC motor model, the results were compared with analytical results and the design was confirmed. Later on, axial and radial flux motors' analytically calculated efficiency, volume, weight and cost data were added on FEM results and detailed comparisons of these motors were given. 
Radial and axial flux BLDC motors were compared under the power density, torque density, volume, total weight, efficiency and pulsation on the shaft torque headings. The comparison results show that designed axial flux motor has 68,8% higher power density, 209,6% higher torque density, 40,6% lower volume, 67,6% less weight and 54,3% lower cost versus radial flux motors. Besides, the efficiency of the axial flux motor increased 31,9% according to radial flux motors, from 52,67% to 69,5%. Thus, the targets at the starting of design such as higher power density and lower volume and less weight were performed successfully also the designed axial motor has higher efficiency. The basic reason why axial flux motor has higher power and torque density, lower volume and less weight than radial flux motor, was less used materials in the axial flux motor design. When the amount of used materials in radial and axial flux BLDC motor were investigated, it can be clearly seen that the amount of ferrite permanent magnets used in both axial flux and radial flux motors were nearly the same. However, the amount of used ferromagnetic material in the rotor, stator laminations located in axial and radial flux motors was higher more than 3 times at radial flux motor than axial flux. This huge difference is due to the utilization of the ferromagnetic material. The used ferromagnetic material used both radial and axial flux motors began to saturation about 2T. In radial flux motor, ferromagnetic materials used very low levels of magnetic flux density that gave rise to low utilization of the ferromagnetic material. Besides, axial flux motor used ferromagnetic material at near knee area in B-H curve that caused the higher utilization of ferromagnetic material. The better utilisation reduced the amount of required ferromagnetic material. Lower ferromagnetic material provided a reduction on motor volume and weight, and also an improvement on power and torque density. While the ratio of utilization on the ferromagnetic material was increasing along with the iron losses composed of hysteresis and eddy losses. In addition, required amount of copper conductor decreased in axial flux motor compare to radial flux motor due to the decreasing winding turn length of the compact structure result of axial flux motor. If the examination of losses is continued: Even though axial flux motors number of phase turns went up, stator phase resistance was lower than radial flux motor. Because, the compact structure of axial flux motors gave rise to a lot smaller turn length according to radial motors. Both of radial and axial flux phase currents were close to each other; therefore, the smaller phase resistance caused lower copper losses that occurred in axial flux motor. As a result, even iron losses increased in axial flux motor, the copper losses that has bigger value and more impact on motor efficiency, was lower in axial flux motor, the axial flux BLDC motor efficiency was higher than radial flux BLDC motor.
In terms of motor torque pulsations, the radial flux reference motor had 55%, the preliminary designed axial flux motor had 72% torque pulsation. Later on, magnet pole arc to pole pitch ratio was changed while keeping used magnet volume constant and axial flux motor torque pulsation was decreased to 27,5%.
The comparisons revealed that the design goals accomplished and axial flux motor surpassed in each comparison aspects; as a result,  the axial flux BLDC motor has proved  to be a suitable motor that can be used in washing machine applications.