Elektrikli bisikletler için fırçasız doğru akım motoru tasarımı ve üretimi
Design and implementation of brushless dc motor for electric bicycles
Yazar: GAMZE TANÇ
Danışman: DOÇ. DR. ÖZGÜR ÜSTÜN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektrikli bisikletler günümüzün önde gelen ve gelişen teknolojilerinden biridir. Elektrikli bisiklet teknolojisi, batarya ve güç kontrol düzeneği üzerinden beslenen özel tip elektrik sürüş sistemine dayanır. Elektrik gücü desteği sayesinde yaş ya da kondisyondan bağımsız olarak bisiklet kullanıcısının daha uzun mesafeleri kat etmesine ve dik yokuşları kolaylıkla çıkılmasına olanak sağlar. Böylece bisikletin sadece spor ve eğlence için değil, bir ulaşım aracı olarak da kullanımı yaygınlaşmaktadır. Karbondioksit salınımı olmayan bu araçların çevre dostu olmalarının yanı sıra, park ve trafik problemlerini azaltıcı etkileri şehir içi ulaşımı için ideal araçlar olduklarının göstergesidir. Elektrikli bisikletlerin diğer elektrikli araçlara karşı en büyük üstünlüğü bataryanın bitmesi ile yolda kalma sorununun bulunmamasıdır, sürücü pedal çevirerek yoluna devam edebilir. Bu özelliğiyle elektrikli bisikletler, elektrikli araçların günlük hayatımıza geçişinde önemli bir basamak olarak görülmektedir.
Günümüzde, elektrikli bisiklet ticari bir ürün olarak dünya pazarında önemli yere sahiptir. Elektrikli bisikletlerin yaygınlaşmasıyla birlikte, birçok ülke elektrikli bisikletler için yasal limitler getirmiştir. EN 15194 Avrupa standardı ile pedal destekli elektrikli bisikletlerin (pedelec) özellikleri belirlenmiştir. Standarda göre sistemin maksimum anma gücü 250 W olmalıdır. Bisiklet 25 km/h hızı aştığında destek gücü azalarak kesilmelidir. Daha yüksek hıza ulaşmak için sürücü kendi efor sarf etmelidir. Pedal destekli bisikletler hibrit araçlardır. Destek sadece sürücü pedal çevirirken devreye girer, sürücü pedal çevirmeyi bıraktığında motor desteği azalarak kesilir. Sistem gerilimi güvenlik nedeniyle 48 V ile sınırlandırılmıştır. Standartlarda yer alan limitlerin belirlenmesindeki temel yaklaşım, elektrik gücü destekli bisikletlerin, bisiklet sınıfında yer alabilmesi içindir. EN 15194 standardına uygun elektrikli bisikletlerin statüleri yasal olarak bisiklet ile aynıdır. Böylece, pedal destekli elektrikli bisiklet kullanıcısı için ehliyet zorunluluğu, vergi yükümlülüğü ya da yaş sınırı bulunmamaktadır.
Elektrikli sürüş sistemlerinin bisiklete farklı yöntemlerle yerleştirildiği, çeşitli mekanik dönüştürücülerin kullanıldığı tasarım ve uygulamalar hakkında çok sayıda çalışma ve patent bulunmaktadır. Elektrikli bisiklet temel olarak elektrik motoru, motor sürücüsü ve bataryadan oluşan bir sistem olarak tanımlanabilir. Elektromanyetik enerji dönüşümünün gerçekleştiği elektrik motoru, sistemin performansını ve verimliliğini en çok etkileyen bileşen olarak görülmektedir. Bu nedenle, elektrikli bisiklet sistemlerinin tasarımında uygun elektrik motorunun belirlenmesi önemli bir araştırma konusudur. İncelenen örnek sistemlerde ve literatürde, yüksek performanslı elektrikli bisiklet uygulamalarında yaygın olarak fırçasız doğru akım motorlarının kullanıldığı görülmüştür. Bu motorların rotorunda sargı bulunmadığından dolayı bakır kayıpları düşüktür ve verimleri yüksektir. Yapılarındaki sürekli mıknatıslar, enerji yoğunluğunun ve moment üretme kapasitesinin yüksek olmasını sağlar.
Bu çalışmada, EN 15194 Avrupa standardına uygun bir elektrikli bisiklet için fırçasız doğru akım motoru tasarımı ve üretimi amaçlanmıştır. Standart uyarınca motorun anma çıkış gücü 250 W olarak belirlenmiştir. Piyasada yaygın olarak bulunan elektrikli bisiklet bataryalarının incelenmesi sonucunda motor gerilim seviyesinin 36 V olmasına karar verilmiştir. Motor, bisikletin arka tekerleğine yerleştirilmek üzere tekerlek jantına monte edilecektir. Hub motor sistemi olarak da bilinen doğrudan sürüş sistemlerinin imalat kolaylığı ve bisiklet üzerinde yer kazanımı sağlamasının yanı sıra birçok avantajı bulunmaktadır. Bu yapı kullanıcının mevcut bisikletini elektrikli bisiklete dönüştürmesini sağlayan "elektrikli bisiklet dönüşüm kiti" uygulaması için de uygundur.
Motor tasarım çalışmalarına elektrikli bisiklet sisteminin gereksinimlerinin incelenmesi ile başlanmıştır. Sisteminin farklı seyir durumlarındaki moment ve hız ihtiyacını belirlemek amacıyla elektrikli bisiklet modeli kurulmuştur. Simülasyon doğrultusunda, motor plaka değerleri belirlenmiş ve sistemin yüksek moment ihtiyacını karşılayabilmek üzere motorun yüksek kutup sayılı olarak tasarlanmasına karar verilmiştir. Bu doğrultuda, fırçasız doğru akım motorunun özellikleri ayrıntılı olarak incelenmiştir. Yüksek kutup sayılı motorların verimini arttırmak ve üretimini kolaylaştırmak adına konsantrik sargı ile imal edilen kesirli oluk sargılı motor kullanımı yeni bir yaklaşım olarak ortaya çıkmıştır. Konsantrik sargılı motorlarda moment üretme kapasitesi yüksek, moment dalgalılığı ise düşüktür. Bu nedenle, tasarımı yapılacak motorun kesirli oluk sargılı tipte olmasına karar verilmiştir.
Kesirli oluk sargılı motorlar çeşitli oluk/kutup oranında tasarlanabilirler. Uygun kombinasyonun belirlenmesinde öncelikli olarak literatüre başvurulmuştur. Motor gücü ve bisiklet üzerindeki fiziksel sınırlar incelenerek motor temel büyüklükleri belirlenmiştir. Literatürde önerilen motor oluk/kutup kombinasyonlarından yola çıkılarak tasarım denemeleri yapılmıştır. Motor parametrelerinin ve kullanılacak malzemelerin seçilmesinin ardından, ANSYS firmasının RMxprt isimli analitik çözümleme yapan programı ile çeşitli motor geometrileri oluşturularak motor tasarım ve optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Motor tasarımları, moment kalitesi, ağırlık, verim ve üretim kolaylığı açılarından değerlendirilmiş, en uygun motor kombinasyonu olarak 36/34 oluk/kutup oranına sahip motor seçilmiştir
Seçilen motor için farklı boyut ve oluk denemeleri yapılarak, bu modeller için elektromanyetik analizler gerçekleştirilmiştir. Böylece motor boyutları optimize edilmiş ve değişen motor boyutlarının motor üzerindeki etkisi incelenmiştir. RMxprt üzerinden oluşturulan modeller, sonlu elemanlar yöntemini kullanan ANYSYS Maxwell elektromanyetik analiz programına aktarılarak daha güvenilir sonuçların elde edilmesi amaçlanmıştır.
Yapılan analizlerin karşılaştırılması sonucunda en uygun tasarım belirlenerek üretim aşamasına geçilmiştir. Özel olarak hazırlanmış bir deney düzeneği üzerinde üretilen motorun yükleme ve ısınma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Deney sonuçlarının uygunluğunun belirlenmesinin ardından motor janta monte edilmiş ve bisiklete entegrasyonu gerçekleştirilmiştir. Yapılan sürüş denemelerinde sistemin istenilen performansta ve sorunsuz bir şekilde çalıştığı görülmüştür.

Abstract:
Nowadays electric bicycles are one of the most prominent and progressive technologies. Electric bicycle technology depends on a special electric drive system that is powered by a battery and an electronic control device. Electric bicycle leads their drivers to cover more distances and go up hills with little effort thanks to the electric power, no matter user' s ages and conditions are. With these advantages of electric bicycle, cycling is not only used for sports and entertainment but also used for means of transportation, especially for short distances. Another advantage of electric bicycles is that they do not lose their mobility even if the battery gives out because the driver can go on with cycling. Since they bring numerous advantages for urban transportation and build a step for electric vehicles to get in human life. Two-wheel electric vehicles have an important role in the individual transportation owing to being environmentally friendly with no carbon emission and ease of use in traffic. The first electric bicycle was patented in 1895 by Ogden Bolton. In time, the various electric bicycles have been designed and developed. In recent years, electric bicycles are also commercially available and they have been very popular into the two-wheel electric vehicle market. While electric bicycles have been widespread, many countries have been formed legal limitations. Power assisted electric bicycles and their features are identified by EN 15194 European Standard. According to the EN 15194 European Standard the maximum continuous rated power should be 250 W. If the cyclist stops pedaling, the output is progressively reduced and finally cut off as the vehicle reaches a speed of 25 km/h. To reach higher speeds, cyclist should make an effort. Since electric bicycles are hybrid vehicles, motor cuts off the output when driver stop pedaling. European Standard specifies the battery voltage up to 48 V for safety requirements. Thus, electric bicycles are kept in the bicycle class. The legal status of electric bicycles, which are identified by EN 15194 European Standard, is same with classic bicycles. Thus, there is no need to the driver license, tax obligation or age limitation to use electric bicycles. There are a lot of studies and patents about electric bicycles. The designs and applications vary according to their mechanical transmission systems and placement of them. According to their motor placement, there are rear, front or middle drive type electric bicycles in the market. Electric bicycles basicly consist of electric motor, motor driver, and battery. An electric motor is an electromechanical energy converter, and it is the basic component, which mostly affects efficiency and performance of the electric bicycle system. Therefore, identifying an ideal electric motor during electric bicycle design has been a popular subject of academic and commercial researches. In literature review and detailed market research, it was seen that brushless direct current motors (BLDCM) are used in high-level electric bike applications. Since there is no winding in their motors, BLDCM have low copper losses and high efficiency. In addition, their torque production capacity and energy density are high thanks to the permanent magnets in their rotors. The aim of this project is designing an optimum BLDCM for the electric bicycle applications in accordance with EN 15194 European Standard. It was decided that continuous rated output power is 250 W. In addition, motor rated voltage was chosen as 36 V because this level is widely used by electric bicycle battery suppliers and also within reasonable bounds of EN15194 European Standard. The design objective was assembiling the electric motor in the rear wheel of an electric bicycle. The direct drive application, also known as hub motor system, is widely used in light electric wehicle systems and it brings about many advantages. For instance, implementation is easy, there is no mechanical transmission losses and there is more area for placement of motor. It is also suitable for retrofit systems. Firstly, electric bicycle Simulink model was built in order to determine torque, speed and power requirements under different road and load conditions. By means of simulation results, the motor specifications were determined and it was decided that using high pole motor to satisfy high torque demand of electric bicycle. Then, features of BLDCM was examined. Conventional electric motors are constructed with distributed winding. For high pole distributed winding motors, the numerious slots have to be used and this situation causes manufacturing difficulties, high copper valume and high cost. In the literature, there is a new approach to make manufacturing process of electric motor easier and enhance efficiency of high pole motors. These type motors are named as fractional slot winding motors. These motors are constructed with concentrated winding. Thus, fractional slot winding motors have high torque production capacity with low ripple, short end-turns, high efficiency, high fault tolerance and low manufacturing costs. Owing to these advantages, fractional slot winding BLDCM was intended to design. Fractional slot winding motors can be wound with single or double layer. The layer type should be selected according to the application which motor will be used. Also, there are several method to determine the motor winding layout. Fractional slot winding motors can be in various slot/pole combinations. Firstly, the literature was reviewed that there are some criteria to determine optimum slot/pole combination. The motor slot number have to be even; thus, motor unbalanced magnetic forces are eliminated. Designing the motor with high value of fundamental winding factor is advantages. This leads to decreasing in slot fill factor, copper valume and copper losses. The selected motor combination should have low cogging torque and low torque ripple. Thus, the slot/pole combination with high N value should be selected, which defines the lowest common multiple of the number of slots and the number of poles. The other criteria is the greatest common divisor of the number of slots and the number of poles. This value should be higher than one and even so, the net radial forces of motor are low. If the greatest common divisor of the number of slots and the number of poles equals to one or an odd number, abnormal radial forces can be seen on the motor. According to these criteria, the optimum motor slot/pole combinations which were selected are about to be designed. The basic motor parameters were calculated according to physical limitations of bicycle and motor power. Motor axial length is limited by bicycle cassete type and fork width because the motor will be placed into the rear wheel of the bicycle. The other limitation is about stator inner diameter. The motor driver board will be placed in the motor hub due to use minimum transmission cable and to make system more compact. Then, inner diameter of the stator have to be longer then diameter of the motor driver board. The motor dimensions were determined in an interval and these dimensions were corrected by using power and valume relation of the motor according to the literature. Then, the motor materials, as magnet type, stator and rotor steel codes, had been chosen. The designs were experimented for determined combinations and limitations by ANSYS RMxprt software. RMxprt can calculate machine performance with using classical motor theory and equivalent magnetic circuit methods. Motor parameters were calculated by this tool and motor initial sizing decisions were made according to analytical analysis results. 36/34 motor combination with two layer winding was chosen because its analyze results were closer to desired parameters as torque quality, weight, efficiency, and ease of manufacturing. Then, various designs were experimented for this combination by changing dimensions and slots. Thus, motor dimensions were optimized and effects of motor dimensions over the motor performance were determined. After the analytical analysis, designs were validated by using ANSYS Maxwell software. Maxwell is an electromagnetic field simulation software for designing and analyzing 2D and 3D electromagnetic and electromechanical devices. It uses finite element method to solve electromagnetic field. In consideration of analytical and finite element analysis, the most convenient model was chosen in order to produce. After the production stage, motor laboratory tests were made in a special test equipment. Nominal parameters, efficiency and thermal performance of the motor were determine by laboratory tests these were applied in accordance with EN 60034 Rotating Electrical Machines International Standard. It was clearly seen that the test results are similar to design data and motor is found appropriate for electric bicycle applications. 26 inch rim wheel was chosen for the prototype. Motor were assembled into the the rim of the rear wheel and integration of bicycle is achieved. With driving tests, it is seen that the system functions as planned without any problem.