Elektrikli taşıtın tekerlek tahriği için geliştirilen dış rotorlu anahtarlı relüktans motor tasarımı ve analizi
Design and analysis of an outer rotor switched reluctance motor developed for wheel traction of an electric vehicle
Yazar: MEHMET AYTAÇ ÇINAR
Danışman: PROF. DR. FERİHA ERFAN KUYUMCU
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Dinamik analiz = Dynamic analysis ; Statik analiz = Static analysis ; Tasarım = Design

Özet:
Bu çalışmada bir elektrikli taşıtın tekerlek tahriğini sağlamak amacıyla radyal akı yoluna sahip bir anahtarlı relüktans motorunun tasarımı yapılmaktadır. Motor, taşıtın tekerlek jantının içine yerleştirilmesi amacıyla dış rotorlu olarak tasarlanmıştır. Basit yapısı, düşük maliyeti ve güvenilirliği nedeniyle anahtarlı relüktans motor topolojisi tercih edilmiştir.Bu amaçla öncelikle, kullanım amacına yönelik olarak belirlenen sınırlayıcı koşulların ışığında motorun boyutları, konstrüksiyonu ve sargı yapısı matematiksel olarak hesaplanmıştır. Bunun ardından sonlu elemanlar yöntemi yardımıyla motorun statik analizi yapılmış ve performans karakteristikleri elde edilmiştir.Motorun çalışması sırasında faz sargıları, taşıdıkları akım nedeniyle ısı kaynağı olarak davranmaktadır. Bu nedenle tasarlanan motorun ısı analizi yapılmış ve gerekli olan izolasyon sınıfı belirlenmiştir.Üretilen moment değeri, tekerlek motorları için büyük önem taşımaktadır. Tasarlanan motorun moment üretim kapasitesini artırmak amacıyla uzun adımlı sargı yapısı motora uyarlanmış ve elde edilen moment ve dalgalılık değerleri kısa adımlı sargı yapısıyla karşılaştırılmıştır. Yeni sargı yapısı ile üretilen moment değeriyle birlikte moment dalgalılığını da önemli ölçüde artırdığı görülmüştür. Bu nedenle, uzun adımlı sargı yapısının taşıt tahrik uygulamaları için dalgalılık kontrolu yapılmadan kullanılmasının uygun olmadığı sonucuna varılmaktadır.Son olarak ise, motorun matematiksel modeli elde edilerek MATLAB-Simulink ortamında dinamik simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla statik manyetik analiz ile elde edilen karakteristikler, look-up tablolar halinde simülasyona dahil edilmiştir. Bu sayede farklı çalışma koşulları için motorun dinamik performansını izlemek mümkün olmaktadır.Tüm bu çalışma sürecinde elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde, tasarlanan dış rotorlu anahtarlı relüktans motorunun sunduğu performansın, bir elektrikli taşıtın tekerlek tahriğinin sağlanması için yeterli olduğu sonucuna varılmaktadır.

Abstract:
In this thesis, a radial-flux type in-wheel switched reluctance traction motor for electric vehicles is designed. Constructional simplicity, low cost and reliability are the most important factors that leaded to the selection of this motor topology as a prototype in-wheel motor. Design process consists of statical magnetic analysis, thermal analysis and dynamical modeling and analysis steps, following the mathematical dimensioning, respectively.The design process starts with the numerical calculations of the dimensions, construction and winding configuration of the outer rotor SRM. A 2D finite element analysis is then performed to obtain the nonlinear field solutions within the motor.Phase windings behave as a heat source in operation. Therefore, heat analysis of the designed motor is realized and isolation class is defined.Capability, fully pithed winding configuration is adapted to designed motor and obtained torque profiles and ripple ratios are compared to conventional short pitched winding configuration. It is observed that, with fully pitched winding configuration, not only the torque output but also the torque ripple is higher than the short pitched winding configuration. So, this configuration is inconvenient for in-wheel EV applications unless ripple control is applied.A dynamic simulation model of the designed motor is composed of a set of electrical equations for each phase and equation of mechanical system, by using MATLAB-Simulink environment. By integrating the obtained static characteristic profiles into the dynamic model, drives simulation is realized. Thus, it is possible to study the dynamic behaviours of the designed motor under various operating conditions and investigate the applicability to an EV.Consequently, obtained static and dynamic results show that, designed outer rotor switched reluctance motor performance is sufficient and meets the requirements of a multimotor propelled electric vehicle.