Elektrikli araçlar için dış rotorlu doğrudan yol vermeli senkron motor tasarımı, analizi ve sürülmesi
The design, analysis and drive of outer rotor line-start synchronous motor for electric vehicles
Yazar: MUSTAFA TÜMBEK
Danışman: DOÇ. DR. SELAMİ KESLER
Pamukkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: AC sürücüler = AC drivers ; Elektrik makineleri = Electric machinery ; Elektrik motorları = Electric motors ; Elektrikli araçlar = Electric vehicles ; Makine tasarımı = Machine design ; Motor sürücüsü = Motor driver ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; Sürekli mıknatıslı senkron motorlar = Permanent magnet synchronous motors

Özet:
Günümüzde elektrikli araçlarda doğru akım motoru, asenkron motor, senkron motor ve fırçasız doğru akım motorları ile çalışmalar yürütülmektedir. Elektrik motorları, elektrikli araç üzerindeki yerleşimine bağlı olarak içten rotorlu ve dıştan rotorlu motorlar olmak üzere iki kısımda incelenebilir. İçten rotorlu motorların kullanıldığı sistemlerde dişliler, dişli kutusu ve mekanik diferansiyel bulunur. Ancak bu bileşenler aracın verimliliğini olumsuz yönde etkiler ve sürüş menzilini azaltır. Diğer taraftan dıştan rotorlu motorlar teker içine yerleştirilerek verim ve menzilde artış sağlarken sürüş konforunu da iyileştirebilir.
Literatürde, elektrikli araçlarda kullanılmak üzere geleneksel motorlar ve karma motorlar üzerine çalışmalar vardır. Bu tez çalışmasında, elektrikli araçlarda kullanılmak üzere senkron motor ve asenkron motorun avantajlarını bir araya getiren doğrudan yol vermeli senkron motor, dıştan rotorlu motor olarak tasarlanmıştır. Öncelikle araç kısıtları göz önüne alınarak, istenilen güç ve boyutlarda motor genel geometrisi belirlenmiş ve elektrik motorunun stator ve rotor parametreleri geleneksel asenkron motora benzer olarak hesaplanmıştır. Karma motor yapısı oluşturmak için rotora dört farklı mıknatıs yerleşimi önerilerek ANSYS Maxwell yazılımı ile iki boyutlu analizi gerçekleştirilmiş ve motor karakteristikleri incelenmiştir. Aynı zamanda motor parametrelerinin motorlar üzerindeki etkileri sunulmuştur. Önerilen motor tasarımlarından en uygun olanı prototip üretimi için seçilmiştir.
Prototipi üretilen motorun sürüş testlerini gerçekleştirmek üzere sürücüye ihtiyaç duyulmaktadır. Bu amaçla üç fazlı gerilim kaynaklı evirici tasarlanmıştır. Bu sayede hem doğrudan sürüş hem de kontrollü sürüş testleri gerçekleştirilmiştir. Benzetim sonuçlarını doğrulayan deneysel sonuçlarla, önerilen motorun senkron ve asenkron motorun avantajlarına sahip olduğu tespit edilmiştir. Önerilen motor kalkış anında asenkron motor karakteristiği sayesinde doğrudan başlayabilmekte ve motor kararlı hale ulaştığında ise senkron sürüş geçekleştirildiğinden motorda rotor bakır kayıpları olmamaktadır. Ayrıca, ani yüklenmelerde ve aşırı yüklenmelerde senkron motorun kopma açısı, senkron altı hızlarda asenkron sürüş nedeniyle önemsiz hale gelmiştir. Ek olarak, motor gücünden feragat etmeden dış rotor geometrisi sayesinde eksenel boy kısa olmasına rağmen geniş radyal boyut nedeniyle yeterli moment sağlanabilmiştir. Sonuç olarak, önerilen motor modelinin elektrikli araçlarda kullanılmak üzere geleneksel motorlara göre daha uygun olduğu görülmüştür.

Abstract:
Nowadays, studies on electric vehicles are carried out using direct current motor, induction motor, synchronous motor, and brushless direct current motors. Electric motors can be classified into two parts as inner and outer rotor motors depending on the placement on the electric vehicle. Gears, gearbox, and mechanical differential are used in systems with the inner rotor motors. However, these components adversely affect the efficiency of the vehicle and reduce the driving range. On the other hand, outer rotor motors can be placed into the wheel to increase efficiency and range while also improving driving comfort.
In the literature, there are several studies on conventional and hybrid motors used in electric vehicles. In this thesis, a line starting synchronous motor which combines the advantages of synchronous motor and asynchronous motor for use in electric vehicles is designed as an outer rotor motor. First of all, considering the constraints of the vehicle, the general geometry of the motor is determined at the desired power and dimensions. Also, stator and rotor parameters of the electric motor are calculated similar to the conventional asynchronous motor. In order to design a hybrid motor structure, four different magnet placements on rotor are proposed and two-dimensional analysis is performed with ANSYS Maxwell software to investigate motor characteristics. At the same time, the effects of the motor parameters on the motors are presented. The most suitable motor design is selected for an implementation.
A motor driver is required to perform the driving tests of the prototype motor. For this purpose, a three-phase voltage source inverter is designed. In this way, both line start and controlled driving tests are performed. It is determined that the proposed motor has the advantages of a synchronous and an asynchronous motor with the experimental results verifying the simulation results. The proposed motor can start directly with thanks to asynchronous motor characteristic at the start and when the motor reaches a stable state, there is no loss in the rotor copper since synchronous driving is performed. In addition, in sudden loads and overloads, the maximum load angle of a synchronous motor has become insignificant due to asynchronous driving at sub-synchronous speed. Moreover, thanks to the outer rotor geometry, although the axial length is short, required torque is achieved due to the large radial dimension with the same motor power. As a result, the proposed motor model is found to be more suitable than conventional motor for use in electric vehicles.