Elektrikli araçlar için yüksek güç yoğunluğuna sahip doğrudan tahrikli gömülü mıknatıslı senkron motor tasarımı ve analizi
Design and analysis of high power density direct drive interior permanent magnet synchronous motor for electric vehicles
Yazar: CELALETDİN AKGÜL
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ YÜCEL ÇETİNCEVİZ
Kastamonu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Elektrikli araç teknolojisindeki gelişmeler, fosil yakıtların ulaşım ve endüstri üzerindeki olumsuz etkilerini azaltmak için kritik bir öneme sahiptir. Bu bağlamda, 1,4 kW gücünde ve 1100 rpm hızında çalışacak bir gömülü mıknatıslı senkron motor (GMSM) tasarım ve analizi yapılmıştır. GMSM'ler, yüksek güç faktörü, güç yoğunluğu ve tork kabiliyetleriyle elektrikli araç uygulamaları için uygun bir performans sunmaktadır. İç rotor yapısının ve rotorun içine gömülü mıknatısların kullanılması, motorun mekanik dayanımını artırarak yüksek hızlarda stabilite ve performans sağlar. Farklı oluk-kutup konfigürasyonlarının ve en-boy oranlarının motor performansına etkisi incelenmiştir. Ayrıca oluk-kutup konfigürasyonlarının vuruntu momentine etkisi analiz edilmiştir. Motor boyutlandırmada birçok bağımlı ve bağımsız değişken bulunduğundan ilk adımda parametrik optimizasyon ile, oluk başına iletken sayısı, stator diş kalınlığı ve stator boyunduruğunun verimliliğe etkisi araştırılmıştır. İkinci adımda ise birinci adımda belirlenen parametre değerleri sabit tutularak, diğer değişkenler için çok amaçlı genetik algoritma (ÇAGA) yöntemi kullanılarak optimizasyon yapılarak verimlilik %94 ve üzerinde elde edilmiştir. Optimizasyonu çalışmaları neticesinde farklı motor tasarımları karşılaştırılmış ve en uygun tasarım olarak 39 oluk, 10 kutuplu motor modeli belirlenmiştir. Bu tasarım sürecinde, verimlilik, güç yoğunluğu, tork yetenekleri, boyutlar ve soğutma gereksinimleri gibi kritik faktörlerin yanı sıra elektrikli araçların gereksinimlerini en iyi şekilde karşılayan motor boyutları belirlenmiştir. Belirlenen 39 oluk, 10 kutuplu motorun başlangıç tasarımı ve ÇAGA optimizasyon tasarım modelleri, sonlu elemanlar analizi (SEA) kullanılarak incelenmiştir. Bu analiz, iki boyutlu modelleme yöntemiyle gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Başlangıç tasarımından, ÇAGA optimizasyon süreci boyunca yapılan iyileştirmeler gözlemlenmiştir. SEA sonrasında belirlenen motor konfigürasyonu, istenilen değerlere yakın bir performans sergilemiştir.

Abstract:
Advances in electric vehicle technology are critical to reducing the negative impact of fossil fuels on transportation and industry. In this context, a permanent magnet synchronous motor (PMSM) with a power of 1.4 kW and a speed of 1100 rpm has been designed and analyzed. PMSMs offer a suitable performance for electric vehicle applications with high power factor, power density and torque capabilities. Using an internal rotor structure and permanent magnets in the rotor increases the mechanical strength of the motor, providing stability and performance at high speeds. The effect of different slot-pole configurations and aspect ratios on motor performance is investigated. In addition, the effect of slot-pole configurations on the knocking torque is analyzed. Since there are many dependent and independent variables in motor sizing, in the first step, the effect of the number of conductors per slot, stator tooth thickness and stator yoke on the efficiency is investigated by parametric optimization. The parameter values determined in the first step were kept constant in the second step. Optimization was performed using the multi-objective genetic algorithm (MOGA) method for the other variables and the efficiency was obtained at 94% and above. As a result of the optimization studies, different motor designs were compared, and the 39-slot, 10-pole motor model was determined to be the most suitable design. In this design process, critical factors such as efficiency, power density, torque capabilities, dimensions and cooling requirements, and motor dimensions that best meet the requirements of electric vehicles were determined. The initial design and the finite element analysis optimization models of the 39-slot, 10-pole motor were investigated using finite element analysis. This analysis was performed by two-dimensional modeling method and the results are presented comparatively. Improvements from the initial design through the MOGA optimization process are observed. The engine configuration determined after the SEA showed a performance close to the desired values.