ELEKTRİKLİ TAŞITLARDA ENİNE AKILI MOTOR İLE TORK ÜRETİMİ VE BOYUNA AKILI MOTORLAR İLE KARŞILAŞTIRILMASI - 2

👤MEHMET ALİ GÜNALTAY Ford ARGE MARMARA ÜNİVERSİTESİ İSMAİL KIYAK MARMARA ÜNİVERSİTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

3. ENİNE AKILI MOTORDA TORK ÜRETİMİ
Enine akılı motorların manyetik alan hesapları, silindirik koordinat sistemine göre verilmektedir. Söz konusu silindirik koordinat sistemi; Şekil 3.1’de görüleceği üzere x-y düzlemi üzerine yerleştirilmiş ve z ekseni etrafında -/+ θ açısı dönüş yönündedir.

🔍


Tork hesabında gerekli olacak başlıca temel formüllerden ilki; B manyetik alanı içinde v hızında giden q yüklü parçacığa etkiyen Lorentz Kuvvetleri’dir.

🔍

(1)
Eğer birçok yüklü parçacık Şekil 3.2’deki gibi bir iletken içinde ilerliyorsa,

🔍

🔍

(2)
Denklem 2’deki dl sonsuz küçüklükteki birim uzunluğu, dF ise bu birim uzunluğa etkiyen birim kuvveti temsil etmektedir. I ise iletken içinden akan akımdır.

Şekil 3.1’de belirtilen θ açısı yönünde sistem incelenerek (2) no’lu formüle işlenirse,

🔍

(3)
elde edilir. Buradan da her birim iletkende oluşacak moment için (3) formülü detaylandırılarak, aşağıdaki (4) eşitliğine ulaşılır. Bu eşitlikteki “r” Şekil 3.3’de gösterilen rotor diski yarıçapıdır.

🔍

🔍

(4)

🔍

(5)
Ortalama hava boşluğu akı yoğunluğu, Bg-avg, iç yarı çapı Ri = Di / 2 ve dış yarı çapı Ro = Do/2 şeklinde kabul edildiğinde (4) ve (5) numaralı formüllerde yerlerine koyularsa (6) denklemi ile ortalama tork (Tavg) hesap edilebilir [14].

🔍

(6)

Formül (6)’da belirtilen kw1 sargı/sarım faktörü olarak geçmektedir. Lamda ise iç ve dış yarıçapların oranıdır. Çift katmanlı motorlarda ise aktif yüzey kadar, çarpan katsayısı gelir.

🔍

(7)

Formül (7)’yi lamda cinsinden yazdığımızda ise,

🔍

(8)
Maksimum moment için optimum iç ve dış yarıçapın önemi gözükmektedir. Aşağıda ise bu oranın nasıl bulunacağı anlatılmaktadır.

(9)🔍(10)


Şekil 3.4’te, çap oranlarına göre tork değişim eğrisi görülmektedir.

🔍

Diskin etkin yüzeyini belirlemek için optimum iç/dış çap oranına ihtiyaç duyulmakta olup Campbell’in çalışmalarına göre (1974) kD optimum değeri:

🔍

3.1. KARE DALGA UYARTIMLI ENİNE AKILI DOĞRU AKIM MOTORLARINDA TORK HESABI
Enine akılı motorlarda zıt elektromotor kuvveti, motor sargılarındaki akı değişimi grafiğine göre hesaplanabilir. Şekil 3.5’te akı, kare dalga şeklinde değişmekte olup buna göre faz başına zıt emk eğrisi gösterilmektedir.

🔍

Zıt elektromotor kuvveti :

🔍


(13)

elde edilir. Lamda ve akı yerine sırasıyla aşağıdaki eşitliklerden elde edilen ifadeler yazıldığında;

🔍


(14)
Aşağıdaki 15 no’lu faz başına zıt emk (Eph) formülü bulunur.

(15)

🔍
(15) denklemi Kr ile sadeleştirildiğinde (Eph):

🔍

(16)olmak üzere (16) bağıntısından yola çıkılarak (17) nolu tork denklemi yazılabilir.

🔍

(17)
(18) numaralı denklemde faz RMS akımı ile tepe akımı arasındaki bağıntı kullanılarak, (19) numaralı formüldeki enine akılı motorun iç yarıçapına bağlı elektriksel yükler dikkate alındığında, (20) numaralı hava boşluğu torku elde edilebilir.

🔍

Bu bağıntılara paralel olarak tork, stator sargısında rol alan temel kuvvetlere göre şekil 3.6’da yer alan temisili gösterimden yola çıkılarak, aşağıdaki şekilde tarif edilebilir [16].

dr uzunluğundaki stator sargısında oluşan tork, (21) numaralı formül ile gösterilebilir.

🔍

  (21)
dr uzunluğundaki elektrik yükü ise (22) numaralı formüldedir.

🔍

🔍


  (22)

Bu bileşenler, (18) numaralı eşitlikler ile kullanıldığında, (23) numaralı eşitlik oluşur.

🔍

  (23)

Son olarak tüm bu eşitliklere göre de iki katmanlı olan motorun torkunu (24) no’lu hesaptan da görüleceği üzere (20) numaralı tek katman tork hesabının 2 katı çıkmaktadır [16].

🔍

3.2 SİNÜS DALGA UYARTIMLI ENİNE AKILI DOGRU AKIM MOTORLARINDA TORK HESABI

Sinüs dalga uyartımlı motordaki akı ve zıt emk karakteristik eğrileri Şekil 3.7’de göstermektedir.

🔍

(25) numaralı formüller ile hava boşluğu temel manyetik akı yoğunluğunun, temel zıt emk voltajını oluşturduğunu gösterilmektedir.

🔍
(26) numaralı formül ile 3 fazlı sinüs uyartımlı bir motorun temel tork hesabı verilmiştir.

🔍


  (26)

(26) numaralı formülün enine akılı bir motorda uygulanmasıyla oluşan torkun, zıt emk geriliminin rms değeri ile nasıl hesaplanacağı (27) no’lu formülde gösterilmiştir.

🔍
Ortaya çıkan yeni değerleri, elektriksel yük tarifi olan (19) numaralı formül ile değerlendirdiğimizde (28) numaralı nihai tork formülüne ulaşırız.

🔍


(28)

4. ENİNE VE BOYUNA AKILI MOTORLARIN KARAKTERİSTİK KARŞILAŞTIRMALARI
Şekil 4.1’de kutup sayısına bağlı olarak ağırlık oranları karşılaştırılmaktadır. 2 kutuplu motorları karşılaştırdığımızda enine akılı motorun daha ağır olduğu görülmektedir. Ancak kutup sayısı arttıkça enine akılı motorların boyuna akılı motorlardan daha avantajlı olduğu görülmektedir. [15]

🔍

Enine akılı ve boyuna akılı motorların hacimleri oranına baktığımızda, Şekil 4.2’de de görüleceği üzere kutup sayısı arttıkça enine akılı motorların boyuna akılı motorlardan daha küçük hacimlere sığabildiği anlaşılmaktadır.

🔍

Motorların, elektrikli taşıtlarda kullanımı sırasında en çok dikkat edilen maddelerinden birisi de verim yüzdeleridir. Bataryaların henüz uzun menziller için yeteri miktarda enerjiyi depolayamadıkları düşünüldüğünde düşük verimli motorların üzerinde oluşacak kayıpların bataryaların çok daha hızlı tükenmesine ve buna paralel olaraktan elektrikli taşıtın menzilinin kısalmasına yol açacaktır. Her iki tip motorun verimlerini karşılaştırdığımızda ise (Şekil 4.3) bu sefer hem kutup sayısı az iken hem de kutup sayısı arttığında verimin enine akılı motorlarda daha yüksek olduğu görülmektedir. Ayrıca bu karşılaştırmada enine akılı motorları kendi içlerinde değerlendirdiğimizde kutup sayısının artmış olmasının toplam verime de olumlu etki yaptığı görülmektedir.

🔍

5. SONUÇ

Fosil yakıtların rezervlerinin azalması ve çevreye olan zararları göz önüne alındığında elektrikli taşıtların, gelecek yıllarda yaygınlaşması beklenmektedir. Bu süreci desteklemek için hem batarya teknolojileri gelişmekte hem de motor yapıları ve motor sürme teklikleri gelişmektedir. Elektrikli taşıtlarda kullanılabilecek boyuna akılı motorlara nazaran özellikle verimlerinin yüksek olması, küçük yapıları ve buna bağlı olarak teker içi uygulama noktası ile taşıt üzerindeki birçok aktarma organının silinmesi sayesinde fark yaratmaktadır.

Özellikle teknolojideki gelişmeler ile bu motorların taşıdığı bazı negatif unsurların da ortadan kalkacağı ön görülmektedir. Örneğin aktif süspansiyon sistemlerindeki gelişmeler şimdiden bu negatif unsuru ortadan kaldırmayı sağlayacaktır.

Kalıcı mıknatısların yeteneklerinin artması ve motor yapısındaki çok katmanlı üretim teknikleri ile de büyük güçlerde de üretim yapılabileceğini göstermektedir. Bu sayede günümüzde daha cok elektrikli tasitlar arasından, bisiklet ve hafif yapılı taşıtlarda gördüğümüz bu motorların, gelecekte çok daha fazla güç gerektiren taşıtlarda da kullanım yolunu açmaktadır.

KAYNAKÇA
[1] Veflingstad, Thomas (2014), “Design Optimization of an Axial Flux Permanent Magnet Machine Using Genetic Optimization”, Master Thesis, Norwegian University of Science and Technology.
[2] “Design Of Electric Machines: Axial Flux Machines”, Electric Energy Magazine No.4 (Jan-June 2013), Mondragon Unibertsitatea, 3-5.
[3]  Jung, Yong-Bae & Long, Tom & Nelson, John (2008), “Unique Axial Flux Motor Design Delivers Superior Torque Density”, European Ele-Drive Conference International Advanced Mobility Forum, Geneva, Switzerland March 2008.
[4]  F. Price, Garrison & Batzel, Todd D. & Comanescu, Mihai & Muller, Bruce A. (2008), “Design and Testing of a Permanent Magnet Axial Flux Wind Power Generator”, Proceedings of The 2008 IAJC-IJME International Conference ISBN 978-1-60643-379-9, Tennessee, USA, Paper 190, ENT 202.
[5]  Mraz, Stephen J., “Hub Motors for All-Electric Vehicles Still Have Some Technological Challenges to Overcome”, Aug 2010. http://machinedesign.com/automotive/hub-motors-all-electric-vehicles-still-have-some-technological-challenges-overcome.
[6]  Cirani, M. & Sadarangani, C. & Thelin, P., “Analysis of an Innovative Design For an Axial Flux Torus Machine” Royal Institute of Technology Teknikringen 33, 100 44 Stockholm, Sweden.
[7]  Jo, Won-Young & Lee, In-Jae & Cho, Yun-Hyun & Koo, Dae-Hyun & Chun, Yon-Do (2007), “Design and Analysis of Axial Flux Permanent Magnet Synchronous Machine”, Journal of Electrical Engineering & Technology, Vol. 2, No. 1, pp. 61-67
[8]  Axco Motors, “Axco motor Unique Motor Technology”, (28.12.2015), http://www.axcomotors.com/datalehdet/axco_37-75.pdf
[9]  Kayalar, A.Alper & Tosun, M. Bilgehan (2012), GDS Mühendislik, “ Çift Kullanımlı Teknolojiler”, 9,10. http://kurumsal.data.atilim.edu.tr/pdfs/121220_a.pdf
[10] GKN Hub DrivE, “ Technical Datasheet”, (28.12.2015), 2.
http://www.gkn.com/landsystems/products/electric-andhybrid/Documents/DS_GKN%20electric_Hub%20drive_65_GB_1214.pdf
[11] Hüner, Engin & Ekren, Nazmi & Akıncı, Tahir Çetin (2008), “ Teker Motorlar ve Teker Motorların Elektrikli Araçlarda Kullanımına İlişkin Bir İnceleme”, e-Journal of New World Sciences Academy 2008, Volume: 3, Number: 2 Article Number: A0071, 299.
[12] Lambert, Tim & Biglerbegian, Mohammad & Mahmud, Shohel (2015), “A Novel Approach to the Design of Axial-Flux Switched-Reluctance Motors”, Machines ISSN 2075-1702, 2015, 3, 27-54. www.mdpi.com/journal/machines/
[13] Odvářka, Erik & Ondrůšek, Čestmir (2010), “Traction Axial – Flux Motor – Generator For Hybrid Electrıc Bus Application”, Doctora Thesis, Vysoké Učení Technické V Brně Brno University of Technology.
[14] Parviainen, Asko (2005), “ Design Of Axial-Flux Permanent-Magnet Low-Speed Machines and Performance Comparison Between Radial-Flux And Axial-Flux Machines”, Doctora Thesis, Lappeeranta University of Technology.
[15] Yılmaz, Kurtuluş (2009), “Comparison of Axial Flux And Radial Flux Brushless DC Motor Topologies For Control Moment Gyroscope Wheel Applications”, Master Thesis, Middle East Technical University.
[16] Karacan, Cüneyt (2004), “Comparison of Performance of Switched Reluctance Motors, Induction Motors and Permanent Magnet dc Motors”, Master Thesis, Middle East Technical University.