Elektrikli scooterlar için dıştan rotorlu fırçasız doğru akım motorunun stator optimizasyonu ile performansının iyileştirilmesi
Performance improvement of an outer rotor brushless dc motor for electric scooters through stator optimization
Yazar: BERK DEMİRSOY
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MÜCAHİT SOYASLAN
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektrikli scooter = Electric scooter

Özet:
Bu tez, elektrikli scooter uygulamaları için tasarlanan 27 oluk ve 30 kutup kombinasyonuna sahip fırçasız bir doğru akım motorunun (FDAM) performansını optimize etmeyi amaçlamaktadır. Tezin temel hipotezi, optimize edilmiş tasarım parametreleri ve elektromanyetik analizler sonucunda, tasarlanan motorun referans motorlara kıyasla yüksek verimlilik, düşük vuruntu momenti ve düşük tork dalgalanması sunacağıdır. Bu hipotez, mevcut elektrikli scooter motorlarında karşılaşılan tork dalgalanmaları, enerji kayıpları ve düşük verimlilik gibi mühendislik problemlerini çözmeyi hedeflemektedir. Bu amaçla, bilgisayar destekli tasarım yazılımları ve elektromanyetik analiz araçları kullanılmış ve motorun performansını artıracak tasarım parametreleri belirlenmiştir. Tasarım sürecinde, motor gücü ve anma hızı hedef alınmıştır ve 350W gücündeki, piyasada yaygın olarak kullanılan elektrikli bir scooter motoru referans alınmıştır. Tasarlanan motor ile referans motorun boyutsal ölçüleri aynı olmasına karşın stator üzerinde yapılan iyileştirmelerle motorun verimliliği artırılmıştır. Rotor yapısında herhangi bir değişiklik yapılmamıştır. Tasarımda, kesirli oluk sargı yapısı kullanılarak, yüksek bakır hacmi, işçilik maliyetleri azaltılmış ve üretim süreci kolaylaştırılmıştır. Ayrıca, motorun manyetik tasarımında vuruntu momenti ve moment dalgalanmaları minimize edilmiştir. Tasarım üzerinde stator elektriksel sacı ve rotor mıknatısları arasındaki net radyal kuvvet düşük seviyelerde tutulmuştur. Oluk ağzı genişliği, diş etkisi momentinin en düşük olduğu optimum değerlere ayarlanmıştır. Motorun tasarım doğruluğu analitik hesaplamalar ve sonlu elemanlar analizleriyle (SEA) doğrulanmış, manyetik alan dağılımları, moment-akım dalga şekilleri ve performans eğrileri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Yapılan tasarım ile 27 oluk ve 30 kutup kombinasyonuna sahip motorun diş doygunluğu ve moment dalgalanması açısından olumlu sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Laboratuvar testleri sonucunda, tasarlanan motorun 5.2 – 6.45 Nm nominal yük aralığında verimliliği %2-3 oranında artırılmıştır. Vuruntu momenti testinde referans motorun 257 mNm seviyesinde sonuç verdiği gözlemlenirken, tasarlanan motor 116 mNm seviyesine ulaşarak %54.86'lık bir iyileştirme elde edilmiştir. Akım yoğunluğu açısından, referans motorun maksimum 6.81 A/mm² olduğu doğrulanırken, tasarlanan motorda maksimum 6.39 A/mm² ile %6.17'lik bir iyileşme sağlanmıştır. Ayrıca, analizlerde tork dalgalanması 2.6 Nm'den 2.09 Nm'ye düşürülerek %19.62 oranında bir iyileşme gerçekleştirilmiştir. Bu tez, elektrikli scooter sistemleri için daha verimli ve ekonomik motor tasarımlarının geliştirilmesine yönelik önemli bir katkı sunmaktadır.

Abstract:
This thesis aims to optimize the performance of a BLDC with a 27-slot and 30-pole combination designed for electric scooter applications. The main hypothesis of the study is that the proposed motor, through optimized design parameters and electromagnetic analyses, will offer higher efficiency, lower cogging torque, and reduced torque ripple compared to reference motors. This hypothesis aims to address engineering challenges such as torque ripples, energy losses, and low efficiency commonly encountered in existing electric scooter motors. For this purpose, CAD software and electromagnetic analysis tools were utilized to identify design parameters that enhance motor performance. The design process focused on achieving motor power and rated speed targets, using a widely available 350W electric scooter motor as a reference. While the dimensional measurements of the designed motor are identical to the reference motor, efficiency improvements were achieved through enhancements made to the stator. No changes were made to the rotor structure. A fractional slot winding configuration was used to reduce copper volume, minimize labor costs, and simplify the manufacturing process. Furthermore, the magnetic design of the motor was optimized to minimize cogging torque and torque ripple. The net radial force between the stator's electrical steel and rotor magnets was kept at low levels. The slot opening width was adjusted to optimal values to achieve minimal cogging torque. The accuracy of the motor design was verified through analytical calculations and FEA. Detailed examinations of magnetic flux distributions, torque-current waveforms, and performance curves were conducted. The proposed motor design, with its 27-slot and 30-pole combination, demonstrated positive results in terms of flux saturation and torque ripple reduction. Laboratory tests confirmed that the designed motor achieved a 2–3% increase in efficiency within a nominal load range of 5.2–6.45 Nm. In cogging torque tests, the reference motor exhibited a value of 257 mNm, while the designed motor achieved 116 mNm, representing a 54.86% improvement. Regarding current density, the reference motor reached a maximum of 6.81 A/mm², whereas the designed motor achieved a maximum of 6.39 A/mm², yielding a 6.17% improvement. Additionally, torque ripple was reduced from 2.6 Nm to 2.09 Nm, resulting in a 19.62% improvement. This thesis provides a significant contribution to the development of more efficient and cost-effective motor designs for electric scooter systems.