Elektrikli bisikletler için sabit mıknatıslı doğru akım motoru tasarımı ve optimizasyonu

T.C.

DÜZCE ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

ELEKTRİKLİ BİSİKLETLER İÇİN SABİT MIKNATISLI DOĞRU

AKIM MOTORU TASARIMI VE OPTİMİZASYONU

ERHAN TUNCEL

YÜKSEK LİSANS TEZİ

ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

DANIŞMAN

DR. ÖĞR. ÜYESİ EMİN YILDIRIZ

T.C.

DÜZCE ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

ELEKTRİKLİ BİSİKLETLER İÇİN SABİT MIKNATISLI DOĞRU

AKIM MOTORU TASARIMI VE OPTİMİZASYONU

Erhan TUNCEL tarafından hazırlanan tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından Düzce Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı’nda

YÜKSEK LİSANSTEZİ olarak kabul edilmiştir.

Tez Danışmanı

Dr. Öğr. Üyesi Emin YILDIRIZ Düzce Üniversitesi

Jüri Üyeleri

Dr. Öğr. Üyesi Emin YILDIRIZ

Düzce Üniversitesi _____________________

Prof. Dr. Ali ÖZTÜRK

Düzce Üniversitesi _____________________

Prof. Dr. M. Timur AYDEMİR

Gazi Üniversitesi _____________________

BEYAN

Bu tez çalışmasının kendi çalışmam olduğunu, tezin planlanmasından yazımına kadar bütün aşamalarda etik dışı davranışımın olmadığını, bu tezdeki bütün bilgileri akademik ve etik kurallar içinde elde ettiğimi, bu tez çalışmasıyla elde edilmeyen bütün bilgi ve yorumlara kaynak gösterdiğimi ve bu kaynakları da kaynaklar listesine aldığımı, yine bu tezin çalışılması ve yazımı sırasında patent ve telif haklarını ihlal edici bir davranışımın olmadığını beyan ederim.

16 Temmuz 2019 Erhan TUNCEL

TEŞEKKÜR

Yüksek lisans öğrenimimde en başından beri desteğini esirgemeyen, yoğun iş temposu arasında her ihtiyacım olduğunda değerli vakitlerini ayırarak bana yol gösteren, yılmadan çalışmamı sağlayan, mutlulukla çalıştığım bir konu bulmama yardım eden ve kendisini tanımaktan büyük onur duyduğum tez danışmanım değerli hocam Dr. Öğr. Üyesi Emin YILDIRIZ’a teşekkür ederim.

Hayatımın her anında olduğu gibi tez çalışmam süresince de yanımda olan, bu zorlu süreçte desteğini her zaman hissettiren, beni motive eden ve bugünlere gelmemde büyük emek sahibi olan sevgili anne ve babama, varlığı bana her zaman güç veren canım kardeşim Enes’e sonsuz teşekkürü bir borç bilirim.

İÇİNDEKİLER

Sayfa No

BEYAN ... III

TEŞEKKÜR ... IV

İÇİNDEKİLER... V

ŞEKİL LİSTESİ ... VII

ÇİZELGE LİSTESİ ... IX

KISALTMALAR ... X

SİMGELER ... XI

ÖZET ... XII

ABSTRACT ... XIII

1.

GİRİŞ ... 1

2.

MOTOR ÖN TASARIMI ... 8

2.1. MOTOR ÖZELLİKLERİNİN BELİRLENMESİ ... 8

2.2. BOYUT HESABI ... 9

2.3. SARGI YAPISI BELİRLENMESİ ... 9

2.4. OLUK/KUTUP SAYISI BELİRLENMESİ ... 11

2.5. TASARIMDA KULLANILACAK MALZEMELERİN SEÇİLMESİ ... 14

2.5.1. Mıknatıs Seçimi ... 14

2.5.2. Stator İçin Sac Malzeme Seçimi ... 15

3.

SEÇİLEN 7 MODELİN PERFORMANS KARŞILAŞTIRMASI 17

3.2. ZIT-EMK VE ÇEKİRDEK KAYIPLARI KARŞILAŞTIRMASI ... 18

3.3. 7 MODELİN VURUNTU MOMENTİ KARŞILAŞTIRMASI ... 19

3.4. EN İYİLEŞTİRMESİ YAPILACAK OLAN MODELİN SEÇİLMESİ ... 20

4.

RMXPRT YAZILIMI İLE EN İYİLEŞTİRME SÜRECİ ... 21

4.1. MAKİNE BOYUTLARININ RMXPRT’DE EN İYİLEŞTİRİLMESİ ... 21

4.2. MOTOR ÇIKIŞ PARAMETRELERİNİN PMXPRT’DE İNCELENMESİ27 4.2.1. Motor Gücü ve Sıcaklık Değişiminin Verime Etkisi... 28

4.2.2. Motor Gücü ve Sıcaklık Değişiminin Kayıplara Etkisi ... 29

4.2.3. Motor Gücü ve Sıcaklık Değişiminin Anma Momentine Etkisi ... 30

5.

SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİ İLE ELEKTROMANYETİK

ANALİZ VE EN İYİLEŞTİRME SÜRECİ ... 31

5.1. 2 BOYUTTA SONLU ELEMANLAR ANALİZİ ... 31

5.1.1. Hava Aralığı Akı Yoğunluğu ... 32

5.1.2. Back-EMF ve Çekirdek Kayıpları ... 33

5.1.3. Vuruntu Momenti ... 34

5.1.4. Tam Yük ... 34

5.1.5. 2 Boyutta Elde Edilen Diğer Grafikler ... 35

5.2. 3 BOYUTTA SONLU ELEMANLAR ANALİZİ ... 37

5.2.1. Tam Yük ... 38

6.

SONUÇ ... 39

7.

KAYNAKLAR ... 40

ŞEKİL LİSTESİ

Sayfa No

Şekil 1.1. Elektrikli bisiklet sistemi örneği: Motor ön tekerlek içinde [6]. ... 2

Şekil 1.2. Elektrikli bisiklet sistemi örneği: a) Motor arka tekerlek içinde [7] b) Motor pedal kısmında [8]. ... 2

Şekil 2.1. 24 oluklu motor için sargı bağlantı şeması: a) Tek kat sargılı b) Çift kat sargılı. ... 10

Şekil 2.2. Sargı faktörü ile Nspp değerleri arasındaki ilişki [25]. ... 12

Şekil 2.3. Mıknatıs türlerinin yıllar boyunca gelişimi [28]. ... 15

Şekil 2.4. Kullanılan sac malzemenin özellikleri. ... 16

Şekil 3.1. Oluşturulan 24, 36 ve 48 oluklu modellerin 2B görünümleri. ... 17

Şekil 3.2. Hava aralığındaki akı yoğunluklarının değişimi. ... 18

Şekil 3.3. Zıt-EMK’ların değişimi. ... 18

Şekil 3.4. Vuruntu momentlerinin tepe değeri. ... 19

Şekil 3.5. 36/38 oluk/kutup sayılı yapının vuruntu momentinin değişimi... 20

Şekil 4.1. Oluk yapısı ve sarım şekli. ... 22

Şekil 4.2. Parametrik analiz sonuçları. ... 22

Şekil 4.3. Tasarıma uygun modellerin güç ve verim performansları. ... 24

Şekil 4.4. Motor hızına karşılık motor gücü değişimi. ... 24

Şekil 4.5. Motor hızına karşılık motor milinde oluşan moment değişimi. ... 24

Şekil 4.6. Motor hızına karşılık verimin değişimi. ... 25

Şekil 4.7. Motor hızına karşılık motor akımının değişimi. ... 25

Şekil 4.8. Hava aralığındaki akı yoğunluğunun elektriksel açıya bağlı değişimi. ... 25

Şekil 4.9. Vuruntu momentinin elektriksel açıya bağlı olarak değişimi. ... 26

Şekil 4.10. Çalışma geriliminin elektriksel açıya bağlı değişimi. ... 26

Şekil 4.11. Anma hızında sargılarda endüklenen gerilimin değişimi. ... 26

Şekil 4.12. Yük altında faz akımlarının elektriksel açıya bağlı değişimi. ... 27

Şekil 4.13. Makinenin farklı güçlerdeki performansı. ... 27

Şekil 4.14. Çıkış gücüne ve sargı sıcaklığına bağlı olarak verimin değişimi. ... 28

Şekil 4.15. Çıkış gücüne ve sargı sıcaklığına bağlı olarak verimin değişimi. ... 28

Şekil 4.16. Çıkış gücüne ve sargı sıcaklığına bağlı olarak kayıpların değişimi. ... 29

Şekil 4.17. Çıkış gücüne ve sargı sıcaklığına bağlı olarak kayıpların değişimi. ... 29

Şekil 4.18. Çıkış gücüne ve sargı sıcaklığına bağlı olarak anma momentinin değişimi. ... 30

Şekil 4.19. Çıkış gücüne ve sargı sıcaklığına bağlı olarak anma momentinin değişimi. ... 30

Şekil 5.1. 2 Boyutlu analizde mesh çizimi. ... 31

Şekil 5.2. Makinenin 2 boyuttaki genel görünümü. ... 32

Şekil 5.3. Hava aralığındaki akı yoğunluğunun değişimi. ... 32

Şekil 5.4. Endüklenen gerilimin zamana göre değişimi. ... 33

Şekil 5.5. Vuruntu momentinin değişimi. ... 34

Şekil 5.6. 2 boyutta tam yük momentinin değişimi. ... 35

Şekil 5.7. 2 boyutta faz akımlarının değişimi. ... 35

Şekil 5.9. 2 boyutta akı yoğunluğu. ... 36

Şekil 5.10. Makinenin 3 boyutlu görünümü. ... 37

Şekil 5.11. Makinenin 3 boyutta analiz yapılan kesiti ... 37

Şekil 5.12. 3 boyutta tam yük momentinin değişimi. ... 38

ÇİZELGE LİSTESİ

Sayfa No

Çizelge 1.1. Çeşitli ülkelerin elektrikli bisikletler ile ilgili yasal sınırları [19]... ... 6

Çizelge 2.1. Yaygın olarak kullanılan lastik çaplarına göre motor hızı sınırı.. ... 8

Çizelge 2.2. Ön tasarım için motor boyut aralıkları.. ... 9

Çizelge 2.3. Oluk/kutup sayısına göre sargı dağılma faktörü. ... 12

Çizelge 2.4. Oluk/kutup sayısına göre Nspp değeri. ... 12

Çizelge 2.5. Oluk/kutup sayısına göre en küçük ortak kat. ... 13

Çizelge 2.6. Oluk/kutup sayısına göre simetri sayısı. ... 13

Çizelge 3.1. Çekirdek kayıpları... ... 19

Çizelge 4.1. Temel motor boyutları ve parametreleri. ... 21

KISALTMALAR

2B 2 boyutlu

3B 3 boyutlu

AlNiCo Alüminyum-nikel-kobalt

Dr Rotor çapı

EMK Elektromotor kuvvet

EN European norm

FDAM Fırçasız doğru akım motoru

Lr Eksenel rotor uzunluğu

NdFeB Neodim-demir-bor

Nm Newtonmetre

Ns Oluk sayısı

Nspp Kutup ve faz başına düşen oluk sayısı

rpm Devir/dakika

SmCo Samaryum-kobalt

SİMGELER

° Derece

ÖZET

ELEKTRİKLİ BİSİKLETLER İÇİN SABİT MIKNATISLI DOĞRU AKIM MOTORU TASARIMI VE OPTİMİZASYONU

Erhan TUNCEL Düzce Üniversitesi

Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Yüksek Lisans Tezi

Danışman: Dr. Öğr. Üyesi Emin YILDIRIZ Temmuz 2019, 41 sayfa

Elektrikli bisiklet teknolojisi hızla gelişmekte ve yaygınlaşmaktadır. Bisiklet bu sayede ulaşımda daha etkin bir pozisyon kazanmaktadır. Elektrikli bisiklet sisteminde performansı belirleyici en önemli parça elektrik motorudur. Motor özellikleri yasal sınırlamalar içerisinde olmalıdır. Elektriksel anlamda ve kullanıcı konforu açısından verimli bir sistem oluşturulmalıdır. Bu çalışmada elektrikli bisikletlerde kullanılmak üzere fırçasız doğru akım motoru tasarımı yapılmıştır. Elektrikli bisikletleri tanımlayan yasal sınırlamalar dikkate alınarak ön tasarım özellikleri belirlenmiştir. İstenilen güç ve moment için boyutların literatüre uygun olduğu görüldükten sonra sargı yapısına karar verilmiştir. Oluk/kutup sayısı seçimi aşamasında, sargı dağılma faktörüne göre seçilen 7 adet modelin sonlu elemanlar yöntemiyle 2 boyutlu analiz ile karşılaştırılması yapılıp 36/38 oluk/kutup sayısı seçilmiştir. Tasarımda kullanılacak malzemeler seçildikten sonra seçilen 36/38 oluk/kutup sayılı modelin en iyileştirme sürecine geçilmiştir. ANSYS RMxprt programında motor performansına olan etkisi merak edilen özellikler değiştirilerek analizler yapılmıştır. Buna göre istenilen özellikleri sağlayan en iyi tasarım belirlenmiştir. Seçilen tasarım ANSYS Maxwell programında 2 ve 3 boyutta sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmiştir. Bu inceleme sonucu en iyileştirilmiş tasarımın makine tasarım kriterlerini sağladığı ve elektrikli bisikletlerde kullanılabilir bir tasarım olduğu ifade edilmiştir.

Anahtar sözcükler: Elektrikli bisiklet, Motor tasarımı, Fırçasız doğru akım motoru, Sonlu elemanlar yöntemi.

ABSTRACT

DESIGN AND OPTIMIZATION OF PERMANENT MAGNET DC MOTOR FOR ELECTRIC BICYCLES

Erhan TUNCEL Düzce University

Graduate School of Natural and Applied Sciences, Department of Electrical and Electronical Engineering

Master’s Thesis

Supervisor: Asst. Prof. Dr. Emin YILDIRIZ July 2019, 41 pages

Electric bicycle technology is rapidly developing and becoming widespread. In this way, cycling gains a more effective position in transportation. The most important part in determining the performance of the electric bicycle system is the electric motor. Motor specifications must be within legal limits. An efficient system should be established in terms of electrical and user comfort. In this study, brushless direct current motor design is used for electric bicycles. Preliminary design characteristics were determined taking into account the legal limitations that define electric bicycles. After the dimensions were found to be suitable for the desired power and moment, the winding structure was decided. In the selection of the number of slot/pole, 7 models selected in the winding factor were compared with 2-dimensional analysis by finite element method and 36/38 slot/pole number were selected. After selecting the materials to be used in the design, the optimization process of the selected 36/38 slot/pole model was started. In ANSYS RMxprt program, the dimensions and properties of which are affected by the motor performance have been parameterized and analyzed. Accordingly, the best design that meets the desired characteristics has been determined. The selected design was examined by finite element method in ANSYS Maxwell program in 2 and 3 dimensions. As a result of this study, it has been stated that the optimized design meets the machine design criteria and is usable in electric bicycles.

1. GİRİŞ

Günümüzde dünya genelinde tartışılan önemli sorunlardan birinin küresel ısınma olduğu bilinmektedir. Araştırma sonuçları küresel ısınmaya sebep olan faktörlerden biri olarak fosil yakıt tüketimini işaret etmektedir. Ülkeler, karbondioksit emisyonunu azaltmak için çeşitli anlaşmalar imzalamakta ve sera gazı etkilerini azaltmayı hedeflemektedir [1]. Elektrik motor teknolojisinin gelişmesi karbondioksit emisyonunun azaltılarak küresel ısınmayı yavaşlatma çabasının bir parçası olarak kabul edilmektedir [2]. Bu kapsamda, benzin ve dizel gibi fosil yakıt kullanan araçların yerini hibrit ve elektrikli araçlar almaktadır. Hibrit ve elektrikli araçların artan popülaritesiyle birlikte otomotiv sektöründe elektrik motorlu tahrik sistemlerinin yaygınlaştığı görülmektedir [3].

Yüksek verimli elektrik motorlarının ve batarya teknolojisinin gelişmesiyle birlikte elektrikli bisiklet teknolojisinde de hızlı bir gelişme görülmüştür. Elektrikli bisiklet bir elektrik motoru, batarya, motor kontrol ve hız kontrol düzenekleri ile donatılmış bisiklet olarak ifade edilebilir. Bu yapının bisiklet sınıfında kabul edilerek yaş sınırlaması, ehliyet, vergi gibi yasal zorunluluklarının bulunmaması için pedal gücüne ek olarak en fazla 250 W’lık bir motor gücü desteği olması ve 25 km/saat üzerindeki hızlarda motor gücü desteğinin kesilmesi gerektiği kanunlarda belirlenmiştir [4]. Motor gücü desteği sayesinde aynı mesafe daha az enerji harcanarak katedilir. Böylece bisiklet ulaşımda daha etkin bir şekilde kullanılabilir. Elektrikli bisikletler ile ilgili çeşitli tasarımlar ve pazara sunulmuş ürünler bulunmaktadır. Elektrikli bisiklet pazarı her geçen gün büyümektedir. Electric Bikes Worldwide 2016 raporuna göre; 2015 yılında 35 milyon civarında e-bisiklet satıldığı ve 2035 yılında 84 milyon e-e-bisiklet satılacağı öngörüsü rapor edilmiştir. Aynı raporda günümüzde dünya genelinde 200 milyon olduğu tahmin edilen elektrikli bisiklet kullanıcısının 2050 yılında 2 milyarı bulacağı tahmin edilmektedir [5].

Pedal destekli elektrikli bisikletlerin bir diğer avantajı ise bu araçların hem pedal gücü ile hem de elektrik motoru gücü ile hareket eden hibrit araçlar olmasıdır. Bu sayede bataryanın bitmesi halinde yolda kalmak gibi bir durum söz konusu olmamaktadır. Sürücü, normal bir bisiklet kullanıcısı gibi yoluna devam edebilmektedir.

Elektrikli bisiklet uygulamalarında elektrik motorunun yaygın olarak ön tekerlek içine, arka tekerlek içine ya da pedal kısmına yerleştirildiği görülmektedir. Şekil 1.1 ve 1.2’de bu uygulamalar görsel olarak sunulmuştur. Motorun tekerlek göbeğine yerleştirildiği, hub motor olarak adlandırılan sistemler montaj kolaylığı sağladığından ve normal bir bisikleti elektrikli hale dönüştürmek bu yolla kolay olduğu için tercih edilmektedir.

Şekil 1.1. Elektrikli bisiklet sistemi örneği: Motor ön tekerlek içinde [6].

Şekil 1.2. Elektrikli bisiklet sistemi örneği: a) Motor arka tekerlek içinde [7] b) Motor pedal kısmında [8].

1.1. AMAÇ VE KAPSAM

Elektrikli bisikletlerde sistemin performansı elektrik motoruna bağlıdır. Bu nedenle uygun elektrik motorunun seçilmesi önemlidir. Bu tez çalışmasında, elektrikli bisikletlerle ilgili literatürde önerilen ve piyasada kullanılmakta olan motor topolojileri, kullanılan oluk/kutup sayıları, sargı yapıları incelenerek en uygun tasarıma ulaşmak amaçlanmıştır.

Birinci bölümde, literatürde önerilen yapılar incelenip elektrikli bisikletler ile ilgili olan ülkemizde ve çeşitli ülkelerdeki yasal sınırlamalar ifade edilmiştir.

İkinci bölümde, tasarlanan motorun yasal sınırlamalara bağlı olarak temel özellikleri, tasarımın yapılacağı iç, dış ve eksenel boyut aralıkları, sargı yapısı ve bilgisayar destekli tasarım aşamasında kullanılan malzemeler belirlenmiştir.

Üçüncü bölümde, en iyileştirmesi yapılacak olan motorun oluk/kutup sayısını belirlemek üzere oluşturulan 7 modelin ANSYS Maxwell programında 2 boyutta sonlu elemanlar yöntemiyle gerçekleştirilen analizleri karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda 36 oluklu, 38 kutuplu model seçilmiştir.

Dördüncü bölümde, seçilen modelin fiziksel boyutları ve elektriksel büyüklükleri değişken olarak tanımlanarak ANSYS RMxprt programında en iyileştirme çalışması yapılmıştır.

Beşinci bölümde, en iyileştirilmiş modelin ANSYS Maxwell 2B/3B ortamlarında sonlu elemanlar yöntemi ile elektromanyetik analizleri yapılarak oluşturulan tasarımın bilgisayar ortamında performansı incelenmiştir.

1.2. LİTERATÜR İNCELEMESİ

Literatürde elektrikli araçlar için motor tasarımı konusunda birçok çalışma mevcuttur. Elektrik motorlarında büyük güçlerde verimin daha yüksek olması ve ticari anlamda daha geniş bir pazarı bulunması açısından büyük güçler üzerine daha çok çalışılmıştır. Ancak benzer motor topolojileri elektrikli bisiklet uygulamasındaki gibi küçük güçlere de uyarlanabileceği için literatürdeki büyük güçlü çalışmalardan da bahsedilecektir. Elektrikli bisikletler konusunda da ticari ve akademik olarak birçok çalışma bulunmaktadır. Bu başlık altında elektrikli araçlarda kullanılan çeşitli motor topolojilerini kapsayan çalışmalar özetlenecektir.

2016 yılında, A. S. Cabuk, S. Saglam ve O. Ustun tarafından hazırlanan “Investigation of different slot-pole combinations of an in-wheel BLDC motor for light electric vehicle propulsion” isimli çalışmada 2500 W gücünde anma hızı 900 rpm olan fırçasız doğru akım motoru (FDAM) incelenmiştir. Bu çalışmada farklı oluk/kutup sayılarının karşılaştırması yapılıp 24 oluk, 20 kutuplu tasarımın performansı yüksek bulunarak prototipi oluşturulmuş ve testleri yapılıp sunulmuştur [9].

2015 yılında yayınlanmış, M. Ferrari, N. Bianchi, A. Doria ve E. Fornasieoro tarafından hazırlanan “Design of Synchronous Reluctance Motor for Hybrid Electric Vehicles” isimli çalışmada hibrit araçlar için 1200 W’lık senkron relüktanslı makine tasarımı ve uygulaması yapılmıştır. 36 oluk, 4 kutuplu makinede azami moment 7 Nm ve azami dönüş hızı 3000 rpm olarak belirtilmiştir. Pahalı nadir toprak elementli mıknatıs bulundurmaması nedeniyle düşük maliyetli olduğu ifade edilen çalışmada düşük moment dalgalanması, yüksek verim ve geniş bir çalışma aralığı gibi özellikler vurgulanmıştır [10].

2013 yılında yayınlanan, J. Lin, N. Schofield ve A. Emadi tarafından yapılan “External-Rotor 6-10 Switched Reluctance Motor for an Electric Bicycle” isimli çalışmada rotoru dışarıda, 6 oluklu, 10 kutuplu anahtarlamalı relüktans motoru tasarımı yapılmıştır. Elektrikli bisiklet pazarındaki rekabetin etkisiyle maliyetler göz önünde bulundurularak elektrikli bisikletlerde yaygın olarak kullanılan FDAM’lerin mıknatıs maliyeti nedeniyle böyle tasama gerek duyulduğu ifade edilmiştir. 500 W gücündeki makinede anma hız 500 rpm, anma moment 9,5 Nm olarak belirtilmiştir [11].

2011 yılında, P. Sakthivel, V. Chandrasekar ve R. Arumugam tarafından hazırlanan “Design of a 250w, low speed switched reluctance Hub motor for two wheelers” isimli çalışmada 250 W gücünde, anma hızı 200 rpm olan anahtarlamalı relüktans motoru tasarımı yapılmıştır. Tasarımda düşük maliyet ve hafiflik hedeflenmiş olup bu yapının elektrikli bisiklet sistemine kolaylıkla uygulanabileceği ifade edilmiştir [12].

2016 yılında yayınlanan, D. Lim, Y. Cho, J. Ro, S. Jung ve H. Jung tarafından hazırlanan “Optimal Design of an Axial Flux Permanent Magnet Synchronous Motor for the Electric Bicycle” isimli çalışmada 18 oluk, 24 kutuplu sabit mıknatıslı eksenel akılı makine için tasarım yapılmıştır. Elektrikli bisikletlerde tekerlek içi uygulanacak 500 W’lık motorun anma hızı 3300 rpm olup anma momentinnin 1,45 Nm olduğu ifade edilmiştir [13].

2002 yılında yayınlanan, E. A. Lomonova, A. J. A. Vandenput, J. Rubacek, B. d'Herripon and G. Roovers’ın “Development of an improved electrically assisted bicycle” isimli çalışmalarında 250 W gücünde FDAM tasarımı yapılmıştır. Radyal akılı sabit mıknatıslı, eksenel akılı sabit mıknatıslı slotlu ve slotsuz olmak üzere 3 yapı karşılaştırılmıştır. Tasarımların anma hızı 200 rpm, anma momenti 12 Nm’dir. Prototip oluşturmak için daha düşük maliyet ve daha iyi güvenilirlik nedeniyle radyal akılı sabit mıknatıslı makine seçilmiştir [14].

2007 yılında A. Muetze ve Y. C. Tan hazırlamış oldukları “Electric bicycles - A performance evaluation” isimli çalışmada elektrikli bisiklet pazarındaki gelişimleri detaylı bir şekilde işleyerek piyasada bulunan ürünlerin teknik anlamda karşılaştırmasını yapmıştır. Üretilen prototip bisikletin ön tekerleğine monte edilerek testler yapılmıştır. Ayrıca motorun arka tekerleğe monte edilmesi sonucunda yokuşlardaki performansının daha iyi olacağı belirtilmiştir [15].

2014 yılında, S. Abirami, S. M. Bala ve R. J. Priya tarafından hazırlanan “Design of BLDC Hub Motor using FEM analysis” isimli çalışmada 48 oluk, 16 kutuplu tekerlek içi FDAM tasarımı yapılmıştır. 250 W gücünde, anma hızı 400 rpm olan motorun anma momenti 5,9 Nm olarak hesaplanmıştır. Sonlu elemanlar yöntemi ile gerçekleştirilen analizler sonucunda tasarlanan yapının uygulanabileceği ifade edilmiştir [16].

2016 yılında, O. Ustun, G. Tanc, O. C. Kivanc ve G. Tosun tarafından hazırlanan “In pursuit of proper BLDC motor design for electric bicycles” isimli çalışmada 250 W gücünde 200 rpm hız için farklı oluk/kutup sayıları incelenmiştir. 36 oluk, 34 kutuplu yapı seçilerek üretilen motor üzerinde testler yapılarak sonuçlar paylaşılmıştır. Test sonuçlarının bilgisayar analizleri ile örtüştüğü ve iyi bir performans verdiği görülmektedir [17].

2010 yılında, W. Chlebosz, G. Ombach ve J. Junak tarafından yapılan “Comparison of permanent magnet brushless motor with outer and inner rotor used in e-bike” isimli çalışmada iç ve dış rotorlu FDAM’lerin karşılaştırması yapılmıştır. 250 W gücünde 18 oluklu, 20 kutuplu rotoru dışarıda bir motor tasarımı yapılmıştır. İç ve dış rotorlu yapıların maliyet karşılaştırması yapılarak rotoru içeride olan yapının düz mıknatıs kullanımına imkân verdiğinden dolayı bu maliyet açısından daha uygun olacağı ifade edilmiştir [18].

Literatürden verilen örneklerde de görüleceği gibi elektrikli araç uygulamalarında eksenel akılı sabit mıknatıslı motor, anahtarlamalı relüktans motoru ve FDAM topolojilerinin öne çıktığı görülmektedir. Özellikle düşük güçlerde FDAM yaygın olarak kullanılmaktadır. FDAM’lerin önemli avantajları bulunmaktadır. Yüksek verim, sessiz çalışma, fırça ve kolektör bulundurmaması nedeniyle bakım ihtiyacının az olması ve bu işlemin kolayca halledilebilmesi, elektriksel arkların oluşmaması, rotor üzerinde sargı bulunmaması nedeniyle elektriksel kayıpların minimum seviyede olması gibi özellikleri sayesinde geniş bir kullanım alanı bulmaktadır.

1.3. İLGİLİ STANDARTLAR

Elektrikli bisiklet kullanımının artması ile birlikte ülkeler kendi güvenlik kıstaslarına göre yasal sınırlamalar getirmiştir. Motor desteğine sahip bisikletin plaka, muayene gerektirmemesi, sürücünün ehliyet gereksinimi olmaması için motor desteğinin belirli sınırlar çerçevesinde olması gerekmektedir. Elektrikli bisikletler ile ilgili yapılan düzenlemelerde motor gücü, azami hız, ağırlık ve motor desteğinin devreye giriş şekli yasalarla belirlenmiştir. Çizelge 1.1’de çeşitli ülkelerin elektrikli bisikletler konusundaki yasal sınırları özetlenmiştir.

Çizelge 1.1. Çeşitli ülkelerin elektrikli bisikletler ile ilgili yasal sınırları [19].

Bölge/Ülke Motor Gücü Sınırı [W] Hız Sınırı [km/saat] Ağırlık Sınırı [kg] Diğer Sınırlamalar

Avrupa Birliği 250 25 Yok Pedal destekli olmalı

Birleşik Krallık 200 25 40 Pedal ve açma kapama düğmesi bulunmalı

Kanada 500 32 Yok Pedal, açma kapama düğmesi bulunmalı ve 4 tekerden az olmalı

Tayvan Yok 30 40 Yok

Japonya Yok 24 Yok Yok

Çin 240 20 Yok Pedal bulunmalı

Elektrikli bisikletler motor desteğinin devreye giriş şekline göre ikiye ayrılır. Sürüşün sadece motor gücü ile veya motor gücüne ek pedal gücü desteği ile sağlandığı elektrikli bisikletler mevcuttur. Bu tip bisikletlerde motor gücü ile sürüş durumunda hız ayarlaması yapılabilmektedir. Pedal destekli elektrikli bisikletlerde (pedelec) ise sürüş insan ve motor gücünün birleşimi ile sağlanır. Bu bisikletlerde motor desteği yalnızca sürücü pedala bastığında devreye girer, pedal çevirme bırakıldığında ise motor desteği kesilir. Sürücü pedala bastığında oluşan moment ve tekerleğin dönüşünden elde edilen hız bilgileri sensörler yardımı ile elde edilir. Veriler dinamik olarak kontrol sistemine iletilerek motor gücü desteği böylece ayarlanır.

EN 15194 Avrupa standartlarında pedal destekli elektrikli bisikletlerin özellikleri belirlenmiştir. Buna göre bir aracın bu sınıfa girebilmesi için motor nominal gücü en fazla 250 W olmalı, bisiklet 25 km/saat hızı aştığında destek gücü kesilmelidir. Destek gücü sadece sürücü pedal çevirirken devrede olup pedal çevirme durduğunda motor gücü kesilmelidir [20].

Karayolları Trafik Kanunu’nun 3. Maddesinde 12.07.2013 tarihinde yapılan değişikliğe göre motosiklet, bisiklet ve motorlu bisiklet (moped) tanımları düzenlenmiştir, buna göre: “Bisiklet: Üzerinde bulunan insanın adale gücü ile pedal veya el ile tekerleği döndürülmek suretiyle hareket eden motorsuz taşıtlardır. Azami sürekli anma gücü 0,25 kW’ı geçmeyen, hızlandıkça gücü düşen ve hızı en fazla 25 km/saate ulaştıktan sonra veya pedal çevrilmeye ara verildikten hemen sonra gücü tamamen kesilen elektrikli bisikletler de bu sınıfa girer.” [4] şeklinde tanımlanmıştır.

Standartlarda belirtilen limitler bahsedilen özellikteki araçların bisiklet sınıfında sayılabilmesini belirler. Bu şartları sağlayan elektrikli bisikletlerin yasal statüleri bisiklet ile aynıdır. Normal bir bisiklet kullanıcısında olduğu gibi ehliyet gereksinimi ya da vergi yükümlülüğü bulunmamaktadır. Konu ile ilgili yapılan düzenlemeler incelendiğinde EN 15194 Avrupa standardı ve Karayolları Trafik Kanunu’nda belirlenen 250 W motor anma gücü ve 25 km/saat azami hız tasarım sınırlarımızı oluşturacaktır.

2. MOTOR ÖN TASARIMI

Bu kısımda elektrikli bisikletin ihtiyaçlarını karşılayacak özellikte bir FDAM tasarımı yapılacaktır. Buna göre öncelikle motor gereksinimleri belirlenecek ve bilgisayar destekli tasarım ve optimizasyon çalışmaları yapılacaktır.

2.1. MOTOR ÖZELLİKLERİNİN BELİRLENMESİ

Motor anma çıkış gücü EN 15194 Avrupa standardı ve Karayolları Trafik Kanununda belirtilen tanımlar referans alınarak 250 W olarak belirlenmiştir. Elektrikli bisiklet uygulamalarında 36 V veya 48 V ile çalışan bataryalar kullanılmaktadır. Motor çalışma gerilimi 48 V olarak seçilmiştir.

Yapılan literatür incelemesi ve piyasa araştırması sonucunda tasarlanacak motorun tekerlek içi FDAM olmasına karar verilmiştir. Elektrikli bisikletlerde oldukça yaygın kullanımı bulunan hub motorlar ön veya arka tekerleğe monte edilirler. Hub motor doğrudan janta bağlı olduğundan mekanik gücün aktarımı kolaydır. Oluşturulacak elektrikli bisiklet kiti ile normal bir bisikleti elektrikli hale getirmek de oldukça kolaydır. Standartlarda belirtilen 25 km/saat hızı aşmamak için tekerlek çapına göre hub motorun nominal hızı belirlenmelidir. Bisikletlerde yaygın olarak kullanılan lastik çapları üretici firma kataloğundan alınmıştır [21]. Çizelge 2.1’de bunları 25 km/saat hıza ulaştırmak için gereken dönüş hızları ve bu hızda 250 W güce göre moment hesaplanmıştır. Çizelgeden de anlaşılacağı üzere tekerlek boyutu arttıkça aynı bisiklet hızına ulaşmak için gereken motor hızı azalmaktadır ve hıza bağlı olarak moment ters orantılı olarak değişmektedir. Buna göre aynı koşullarda daha yüksek moment sağlaması açısından tekerlek boyutunun büyük olması avantaj sağlayabilir. Tasarımda piyasada yaygın olarak kullanılmakta olan 26 inçlik tekerlek çapı referans alınarak motorun anma hızı 200 rpm olarak belirlenmiştir.

Çizelge 2.1. Yaygın olarak kullanılan lastik çaplarına göre motor hızı sınırı. Tekerlek Çapı (inç) Bisiklet Hızı (km/saat) Motor Hızı (rpm) Moment (Nm)

20 25 261,09 9,14

26 25 200,83 11,89

27,5 25 189,88 12,58

28 25 186,49 12,8

2.2. BOYUT HESABI

Elektrik motor tasarımlarında boyut hesabı motorun gerekli momenti üretebilmesi için ne kadar büyük olacağı sorusunun cevabını bulmak için yapılır. Motor tasarımına başlamadan önce boyut hesabı yapmak ve belirlenen ölçülerin istenilen momenti sağlayıp sağlayamayacağını görmek önemlidir. Boyut hesabında makine boyutlarına göre moment ifadesi tanımlanır ve motorun yaklaşık ne kadar moment üreteceği belirlenir. T moment, Dr rotor çapı ve Lr eksenel rotor uzunluğu olmak üzere rotor hacmi başına üretilen

moment olarak tanımlanan TRV bu ilişkiyi ifade etmektedir.

𝑇𝑅𝑉 = T 𝑉_𝑟

=

Literatürde nadir toprak elementli mıknatıslı motorlar için TRV’nin 14-42 kNm/m3

arasında olduğu belirtilmiştir. [22]. Motor tekerlek içerisine yerleştirileceği için motor boyutları tekerlek çapına ve yerleştirileceği konuma uygun olmalıdır. Sargılar, motor gövdesi ve vites dişlileri göz önünde bulundurulduğunda motor kalınlığı 20-30 mm arasında olması uygun görülmüştür ve ön tasarım için motor kalınlığı 25 mm olarak seçilmiştir. Bu kalınlığa göre litratürde önerilen boyut hesabı formülü uygulandığında rotor çapının belirtilen kriteri sağlanması için 120 ile 208 mm aralığında olması gerektiği hesaplanmıştır. Boyut hesabına göre en uygun tasarımın aranacağı motor boyutları Çizelge 2.2’de özetlenmiştir.

Çizelge 2.2. Ön tasarım için motor boyut aralıkları.

Parametre En Az En Fazla

Rotor dış çapı (mm) 120 208

Stator iç çapı (mm) 140 160

Motor aktif eksenel uzunluk (mm) 20 30

2.3. SARGI YAPISI BELİRLENMESİ

FDAM’lerde dağıtılmış sargı ve konsantrik (kesirli) sargı olmak üzere iki temel sargı yapısı kullanılmaktadır. Moment yoğunluğunun düşmesi, aynı elektromotor kuvveti (EMK) üretebilmek için daha fazla bakır harcamak gerekmesi, işçiliğinin zor olması ve maliyeti arttırması nedeniyle dağıtılmış sargı düşük güçlerde tercih edilmemektedir. Konsantrik sargılı yapılarda ise verim artmakta ve üretim daha kolay hale gelmektedir [22].

Kutup (p) ve faz (m) başına düşen oluk sayısı Ns miktarı olarak tanımlanan Nspp değeri

dağıtılmış sargılı motorlarda bire eşittir. Bu değer konsantrik sargılı motorlarda birden küçük bir sayıdır [22]. Buradan da anlaşılacağı üzere aynı kutup sayısı için dağıtılmış sargılı yapının kullanılması için daha çok oluk bulunması gerekmektedir. Bu da imalatı daha zor hale getirmektedir. Ayrıca dağıtılmış sargılı motorda bakır hacmi daha fazla olacağından bakır kayıpları daha fazladır, bu nedenle verim daha düşüktür.

Konsantrik sargılı FDAM’ler her stator dişinin sarıldığı çift kat sargılı ve sarılan dişler arasında bir dişin boş bırakıldığı tek kat sargılı olarak imal edilebilirler [23]. Şekil 2.1’de tek katlı ve çift katlı sargı bağlantı şeması gösterilmiştir. Çift katmanlı sarımda oluk sayısı kadar sargı bulunmaktadır. Bunun nedeni, her oluğun iki sargı tarafı barındırmasıdır. Büyük güçlü motorlarda ve jeneratörlerde yaygın olarak çift katmanlı sarım kullanılmaktadır. Tek katmanlı sarıma göre sarım daha kolaydır ve maliyette bir düşüş sağlamaktadır. Tek katmanlı bir sarımda, bobin sayısı oluk sayısının yarısıdır, her oluk sadece bir bobin tarafını barındırmaktadır. Tek katmanlı sarım kapalı ve yarı kapalı oluklar kullanabilme imkânına sahiptir. Bu, daha sessiz bir makine çalışması, daha az diş kaybı ve belirli bir hava aralığı akısını elde etmek için daha az amper sarıma ihtiyaç duymasını sağlamaktadır. Bununla birlikte sarım işleminin zahmetli olması nedeniyle sadece küçük güçlü makinelerde popülerdir.

Şekil 2.1. 24 oluklu motor için sargı bağlantı şeması: a) Tek kat sargılı b) Çift kat sargılı.

Hedeflenen tasarımda yüksek kutup sayısına gereksinim olduğundan ve düşük güçlerde dağıtılmış sargı yapısı verimli olmadığından dolayı tek katmanlı konsantrik sargı tercih edilecektir.

2.4. OLUK/KUTUP SAYISI BELİRLENMESİ

Ön tasarımda uygun bir oluk/kutup oranı seçilmesi önemlidir. FDAM için konsantrik sargılı yapıda çok sayıda uygun oluk/kutup kombinasyonu bulunmaktadır. Oluk/kutup sayılarının belirlenmesinde dikkat edilmesi gereken hususlar aşağıda sunulmuştur: Elektrik makinelerinde faz sayısı oluk sayısına bölünebilir bir sayı olmalıdır. Aksi durumda fazlar arasında dengesizlik meydana gelir.

Seçilecek oluk/kutup oranı için sargı dağılma faktörü yüksek olmalıdır. Sargı elektromanyetik torkla doğrusal orantılıdır. Düşük sargı faktörüne sahip bir elektrik makinesi eksik olan momenti daha yüksek akımla veya sarım sayısının arttırılması ile tamamlayabilir. Her iki durumda da direnç kayıpları artacaktır [24]. Örneğin A. S. Cabuk ve arkadaşları 2016 yılında hazırladıkları “Investigation of different slot-pole combinations of an in-wheel BLDC motor for light electric vehicle propulsion” isimli çalışmalarında oluk/kutup sayıları 24/18, 24/20, 36/24, 36/28 ve 36/30 olan farklı tasarımların verime olan etkisini incelenmişlerdir. Sargı dağılma faktörü daha yüksek olan 24/20 ve 36/30 kombinasyonlarının diğerlerine göre daha iyi sonuç verdiği görülmüştür [9]. Ayrıca 2016 yılında O. Ustun ve arkadaşlarının hazırladıkları “In pursuit of proper BLDC motor design for electric bicycles” isimli çalışmada çeşitli oluk/kutup sayıları incelenmiştir. 36/34 ve 36/38 oluk kutup sayısına sahip yapıların karşılaştırılan diğer yapılara göre daha iyi sonuç verdiği görülmüş olup üretimin daha kolay olabileceği ve maliyet daha az olacağı ifade edilerek 36/34 seçilerek prototip üretilmiştir [17]. Elektrikli bisikletler için motor tasarımı konulu bu tez çalışmasında istenilen dönüş hızının sağlanması için yüksek kutup sayılı bir kombinasyon seçilmesi daha isabetli olacaktır. Bu nedenle 20 ile 50 arasındaki oluk/kutup sayıları incelenmiştir. Bu aralıktaki oluk/kutup sayıları için sargı dağılma faktörü ve Nspp değerleri Çizelge 2.3 ve 2.4’te

gösterilmiş olup incelenmesine karar verilen kombinasyonlar işaretlenmiştir. Nspp faz ve

kutup sayısı başına düşen oluk sayısıdır. Nspp ve sargı dağılma faktörü arasındaki ilişki

Şekil 2.2’de ifade edilmiştir. Şekil 2.2 incelendiğinde Nspp 1/3 civarında oluğunda sargı

dağılma faktörünün en yüksek seviyelerde olduğu görülmektedir. Bu değerin 1/3 civarında olması 3 fazlı bir yapı için oluk ve kutup sayısının birbirine çok yakın olduğunu göstermektedir. Oluk ve kutup sayılarının birbirine yakın olması durumunda akı bağlantısı en yüksek durumdadır [25]. Ayrıca oluk ve kutup sayısının birbirlerine yakın olduğu tasarımlarda vuruntu momentinin de düştüğü görülmektedir.

Çizelge 2.3. Oluk/kutup sayısına göre sargı dağılma faktörü. Kutup Sayısı 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 Olu k Say ıs ı 21 0,953 0,953 0,89 0,866 24 0,966 0,958 0,958 0,966 0,866 27 0,877 0,915 0,945 0,954 0,954 0,945 0,915 0,877 0,866 30 0,866 0,874 0,936 0,951 0,951 0,936 0,874 0,866 33 0,866 0,903 0,928 0,954 0,954 0,928 0,903 0,866 36 0,866 0,87 0,902 0,966 0,945 0,956 0,956 0,945 0,966 0,902 0,87 0,866 39 0,866 0,917 0,936 0,954 0,954 0,936 0,917 42 0,866 0,89 0,913 0,945 0,953 0,953 0,945 0,913 45 0,866 0,886 0,927 0,945 0,951 0,955 0,955 0,951 0,945 48 0,866 0,907 0,966 0,958 0,956 0,956 51 0,866 0,88 0,901 0,933 0,944 0,955

Dengesiz sarım Sargı Faktörü < 0.866 Seçilen Kombinasyonlar

Çizelge 2.4. Oluk/kutup sayısına göre Nspp değeri.

Kutup Sayısı 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 Olu k Say ıs ı 21 0,35 0,318 0,27 0,25 24 0,4 0,364 0,308 0,286 0,25 27 0,45 0,409 0,375 0,346 0,321 0,3 0,281 0,265 0,25 30 0,5 0,455 0,385 0,357 0,313 0,294 0,263 0,25 33 0,5 0,423 0,393 0,344 0,324 0,289 0,275 0,25 36 0,5 0,46 0,429 0,4 0,375 0,353 0,316 0,3 0,286 0,273 0,26 0,25 39 0,5 0,406 0,382 0,342 0,325 0,295 0,283 42 0,5 0,44 0,412 0,368 0,35 0,318 0,304 0,28 45 0,5 0,441 0,395 0,375 0,357 0,341 0,326 0,313 0,3 48 0,5 0,421 0,4 0,364 0,348 0,32 51 0,5 0,45 0,425 0,386 0,37 0,34

Dengesiz sarım Sargı Faktörü < 0.866 Seçilen Kombinasyonlar

Çizelge 2.5. Oluk/kutup sayısına göre en küçük ortak kat. Kutup Sayısı 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 Olu k Say ıs ı 21 420 462 546 84 24 120 264 312 168 96 27 540 594 216 702 756 270 864 918 108 30 60 330 390 420 480 510 570 120 33 66 858 924 1056 1122 1254 1320 132 36 72 468 252 180 288 612 684 360 252 396 828 144 39 78 1248 1326 1482 1560 1716 1794 42 84 672 714 798 840 924 966 1050 45 90 1530 1710 360 630 1980 2070 720 450 48 96 912 240 528 1104 1200 51 102 1938 2040 2244 2346 2550

Dengesiz sarım Sargı Faktörü < 0.866 Seçilen Kombinasyonlar

Çizelge 2.6. Oluk/kutup sayısına göre simetri sayısı.

Kutup Sayısı 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 Olu k Say ıs ı 21 1 1 1 7 24 2 1 1 2 8 27 1 1 3 1 1 3 1 1 9 30 10 1 1 2 2 1 1 10 33 11 1 1 1 1 1 1 11 36 12 1 2 3 4 1 1 4 3 2 1 12 39 13 1 1 1 1 1 1 42 14 2 1 1 2 2 1 1 45 15 1 1 5 3 1 1 3 5 48 16 1 4 2 1 1 51 17 1 1 1 1 1

Dengesiz sarım Sargı Faktörü < 0.866 Seçilen Kombinasyonlar

Çizelge 2.5’te incelenen oluk/kutup sayılarının en küçük ortak katlarına bakılmıştır. Vuruntu momentinin frekansının oluk ve kutup sayısının en küçük katı ile doğru orantılı olması [26] bu tabloyu önemli kılmaktadır. Yüksek frekans düşük genlik anlamına geleceğinden en küçük ortak katı büyük olan kombinasyonlar vuruntu momenti açısından daha avantajlı olmaktadır.

Çizelge 2.6’da oluk/kutup sayılarına göre simetri sayıları gösterilmiştir. Simetri sayısının yüksek olması sonlu elemanlar analizinde sonuçların daha kolay elde edilmesini sağlamaktadır. Ayrıca simetri sayısının radyal kuvvetler ile arasındaki ilişkiye göre simetri sayısının birden büyük ve çift bir sayı olması durumunda radyal kuvvetlerin azalacağı literatürde belirtilmiştir [27].

Çizelgeler incelendiğinde 24/20, 24/26, 36/30, 36/38, 36/42, 48/40 ve 48/50 oluk/kutup sayısına sahip kombinasyonların seçildiği görülmektedir. Bu 7 model sargı faktörü yüksek olan kombinasyonlar arasından seçilmiştir. Ayrıca birbirleri ile orantılı olmaları

sebebiyle bu modellerin karşılaştırılması oluk kutup sayısındaki değişimin makine performansına nasıl etki edeceği sorusu cevaplamış olacaktır. Belirlenen aynı motor fiziksel büyüklükleri kullanılarak oluşturulan 7 modelin karşılaştırılması yapılacaktır.

2.5. TASARIMDA KULLANILACAK MALZEMELERİN SEÇİLMESİ

Makine tasarımında kullanılacak malzeme seçimi oluşturulacak tasarımın performansı açısından çok önemlidir. Daha kaliteli malzemenin maliyeti ile performans arasındaki denge iyi sağlanmalıdır. Aşağıdaki başlıklarda motor tasarımında kullanılmasına karar verilen malzemelerin seçimine değinilecektir.

2.5.1. Mıknatıs Seçimi

Elektrik makinelerinde kalıcı mıknatıs olarak ferrit, Alüminyum-Nikel-Kobalt (AlNiCo) ve nadir toprak mıknatısları kullanılmaktadır. Nadir toprak mıknatısları yüksek güç yoğunlukları sayesinde ön plana çıkmaktadır. En yaygın alaşımları olarak Neodim-Demir-Bor (NdFeB) ve Samaryum-Kobalt (SmCo) olduğu görülmektedir. Şekil 2.3’te mıknatıs türlerinin son yüz yılda gelişimi görülmektedir, NdFeB mıknatısların maksimum enerji üretim yoğunluğundaki üstünlüğü net bir şekilde görülmektedir. Gundugdu ve Komurgoz 2013 yılında hazırladıkları “The Impact of the Selection of Permanent Magnets on the Design of Permanent Magnet Machines – a Case Study: Permanent Magnet Synchronous Machine Design with High Efficiency” isimli çalışmalarında çeşitli mıknatısların makine performansına olan etkisi incelenmiştir. Mıknatısların maliyet anlamında karşılaştırılmasının da yapıldığı bu çalışmada nadir toprak elementli mıknatısların pahalı olduğu ancak makine veriminin buna bağlı olduğu ifade edilmiştir [28].

Elektrikli araçlar için kullanılacak motorlarda daha düşük hacimle elde edilebilecek yüksek manyetik alan gücü önemlidir. Bu sebeple nadir toprak alaşımı mıknatısların kullanımı önem kazanmaktadır. Tasarımda manyetik malzeme olarak NdFeB35 kullanılmasına karar verilmiştir.

Şekil 2.3. Mıknatıs türlerinin yıllar boyunca gelişimi [28]. 2.5.2. Stator İçin Sac Malzeme Seçimi

Elektrik makinelerinde statorda kullanılacak sac malzeme demir kayıplarını düşürmek için ince lamineli yapıda imal edilmektedir. Bu malzemeler M270-35A gibi standartlaşmış gösterimlerle ifade edilmektedir. Burada M270 ile ifade edilen 50 Hz, 1,5 T olarak belirlenmiş standart koşullar altında 0,5 mm kalınlıkta bir malzemede oluşan kayıp miktarını (2,7 W/kg) ifade etmektedir. 35A ile ifade edilen ise ilgili malzemenin kalınlığıdır, örneğin yukarıdaki malzeme 0,35 mm kalınlığında saclardan imal edilmiştir. Oluşturulan tasarımlarda M330-35A sac malzeme kullanılmasına karar verilmiştir. Seçilen malzemenin özellikleri üretici firmaların veri sayfalarından temin edilerek [29] analiz programına aktarılmıştır. Şekil 2.3’te sac malzemenin özellikleri program ara yüzünde görülmektedir.

3. SEÇİLEN 7 MODELİN PERFORMANS KARŞILAŞTIRMASI

Seçilen 7 model için ANSYS Maxwell RMxprt programında tasarımlar oluşturulmuştur. Ön tasarım parametrelerine bağlı kalınarak oluşturulan tasarımlarda rotor ve stator iç ve dış çapları, hava aralığı uzunluğu, mıknatıs kalınlığı, toplam mıknatıs hacmi her bir tasarım için sabit tutulmuştur. İletken kalınlığı ve sarım şekli de aynı olarak belirlenmiştir. Stator olukları 24, 36 ve 48 oluklu yapılar için oransal olarak tasarlanmış olup toplam oluk hacimlerinin her bir makinede eşit olmasına çalışılmıştır. Böylece anlamlı bir karşılaştırma için aynı koşullar altında olmasına özen gösterilmiş 7 model oluşturulmuştur. Oluşturulan modellerin 2B görünümleri Şekil 3.1’de sunulmuştur.

Şekil 3.1. Oluşturulan 24, 36 ve 48 oluklu modellerin 2B görünümleri.

Karşılaştırmasına karar verilen modeller için ANSYS Maxwell 2B programında açık devre çalışma (yüksüz) durumlarında elektromanyetik analizler yapılmıştır. 2 boyutlu analizde sonlu elemanlar yöntemi kullanıldığından makine parçaları çok küçük parçalara bölünerek (mesh) incelenmektedir. Tüm modellerde hava aralığına özdeş miktarda mesh atılarak yakın hassasiyette sonuç aranmıştır.

3.1. HAVA ARALIĞI AKI YOĞUNLUĞU KARŞILAŞTIRMASI

Tüm modellerde hava aralığı 1 mm olarak alınmıştır. Hava aralığının tam ortasından çizilen bir yay üzerinden 90° rotor pozisyonu boyunca hava aralığı akı yoğunlukları incelenmiştir. Şekil 3.2’de hava aralığındaki akı yoğunluğunun değişimi gösterilmiştir. Rotor pozisyonuna ve stator oluk açıklıklarına göre sinyallerde benzer çökmeler görülmektedir. Burada sinüse daha yakın olan sinyaller alınmış olan tasarımların daha iyi olduğu kanısına varılabilir.

Şekil 3.2. Hava aralığındaki akı yoğunluklarının değişimi. 3.2. ZIT-EMK VE ÇEKİRDEK KAYIPLARI KARŞILAŞTIRMASI

Modeller açık devre analizinde anma hızı olan 200 rpm’de döndürülmüştür. Böylece her bir fazda endüklenen gerilim değerleri gözlenmektedir. Şekil 3.3’te her bir tasarımın bir fazında endüklenen gerilimin zamanla değişim grafiği sunulmuştur. Grafikler incelendiğinde 36/38 ve 36/42 oluk/kutup sayısına sahip yapıların daha düzgün bir zıt-EMK’ye sahip olduğu görülmektedir.

Bu test sırasında rotor ve stator üzerindeki çekirdek kayıpları da incelenmiştir. Simülasyon sonuçlarına göre elde edilen veriler Çizelge 3.1’de özetlenmiştir. Sonuçlara göre oluk sayısının artması ile birlikte çekirdek kayıplarının da arttığı görülmektedir. Daha düşük oluk sayılı yapılarda sargı kayıpları daha fazla olduğu için toplam verimler açısından bariz bir fark görülmemektedir ancak çekirdek kayıpları açısından bakıldığında aşağıdaki gibi bir tablo oluşmaktadır.

Çizelge 3.1. Çekirdek kayıpları.

Oluk/Kutup 24/20 24/26 36/30 36/38 36/42 48/40 48/50

Çekirdek Kayıpları [W] 2,9599 3,8945 5,366 5,8484 5,2729 6,5156 6,8636

3.3. 7 MODELİN VURUNTU MOMENTİ KARŞILAŞTIRMASI

Vuruntu momenti sürekli mıknatıslardan kaynaklanan EMK harmonikleri ile statordaki oluklardan kaynaklanan manyetik iletkenlik harmoniklerinin etkileşiminden ortaya çıkar ve bir önlem alınmazsa motor performansını olumsuz yönde etkileyebilir [27]. Özellikle düşük hızlı çalışmalar için tasarlanan motorlarda vuruntu momenti önemli bir tasarım parametresi olup mümkün olduğunca düşük olması tercih edilir. Şekil 3.4’te bu çalışmada incelenen 7 modelde görülen vuruntu momentinin tepe değerleri görülmektedir. Buna göre; 36/38 ve 48/50 kombinasyonları diğer modellere göre oldukça düşük vuruntu momenti vermektedirler. Şekil 3.5’te 36/38’in bir oluk adımı boyunca vuruntu momentinin değişimi görülmektedir.

Şekil 3.5. 36/38 oluk/kutup sayılı yapının vuruntu momentinin değişimi. 3.4. EN İYİLEŞTİRMESİ YAPILACAK OLAN MODELİN SEÇİLMESİ

Yapılan incelemede farklı oluk/kutup sayılarındaki yapıların karşılaştırılması yapılmıştır. Açık devre incelemesi zaten iyi sonuç vermesi beklenen yapılar arasında olduğu için modellerin genel olarak yeterli sonuçlar verdiği söylenebilir. Ancak 36/38 yapısının diğer modellere göre özellikle vuruntu momentinde daha iyi sonuçlar verdiği görülmektedir. Gelecek başlıktaki en iyileştirme çalışmasında 36 oluklu, 38 kutuplu model üzerinden devam edilecektir.

4. RMXPRT YAZILIMI İLE EN İYİLEŞTİRME SÜRECİ

Seçilen 36 oluklu, 38 kutuplu modelin boyutları ANSYS Maxwell RMxprt programında en iyileştirilmeye çalışılmıştır. Ön tasarım boyutları olan stator iç çapı 140-160 mm, rotor dış çapı 200-220 mm, aktif eksenel uzunluk 20-30 mm aralıklarında olmak üzere tasarımlar yapılmıştır. Bu tasarımlar sonucunda Çizelge 4.1’de özetlenen temel boyutlar ve parametreler belirlenmiştir. Buna göre oluşturulan modelde ANSYS Maxwell RMxprt yazılımında parametrik analizler yapılarak istenilen özellikleri sağlayan tasarımın oluşturulması hedeflenmiştir.

Çizelge 4.1. Temel motor boyutları ve parametreleri.

Parametre Değer Parametre Değer

Stator İç Çapı 150 mm Besleme Gerilimi 48 V DC

Stator Dış Çapı 190 mm Faz Sayısı 3

Rotor İç Çapı 192 mm Oluk Sayısı 36

Rotor Dış Çapı 207 mm Kutup Sayısı 38

Motor Uzunluğu 25 mm Motor Anma Hızı 200 rpm

Mıknatıs Kalınlığı 3 mm

ANSYS tarafından geliştirilmiş RMxprt yazılımı analitik hesaplamalar yaparak çalışmaktadır ve döner elektrik makinelerinin boyutlandırılmasında kullanılmaktadır. Makineye ait boyut ve özellikler girildiğinde program çıkış parametrelerini ve grafiklerini sunmaktadır. Program çıktıları incelenip makine boyut ve özellikleri değiştirilerek daha iyi performans veren bir yapı oluşturulmaya çalışılmaktadır. Buna göre her bir parametrenin değişiminin makine performansını nasıl etkilediği gözlemlenmiştir. Ayrıca yapılan bütün analizlerde uygulamada sorun yaşanmaması için sargı doluluk oranının 0.7’nin altında olmasına ve harici bir soğutma gerektirmemesi için akım yoğunluğunun 4 A/mm2’nin altında olmasına dikkat edilmiştir. Bu analizler en uygun motor fiziksel boyutlarının belirlenmesi ve motor çıkış büyüklüklerinin sınır koşulların üzerinde nasıl değiştiğini içeren analizler olarak ikiye ayrılabilir.

4.1. MAKİNE BOYUTLARININ RMXPRT’DE EN İYİLEŞTİRİLMESİ

Makinenin belirlenmiş temel boyutları dışındaki parametreleri, program ara yüzünde değiştirilerek bunların motor performansına etkisi incelenmiştir. Elektrikli bisikletlerde kullanılabilecek motorun yasal sınırları göz önüne alınarak çıkış gücü-anma hız grafiğine bakılmıştır. Güç-hız grafiğini en fazla etkileyen parametrelerin oluk başına düşen iletken

sayısı, stator dişleri arasındaki açıklık (bs0) ve motor kutup yayı oranı (embrace) ve mıknatıs kalınlığı olduğu görülmüştür. Oluşturulan parametrik analizde incelenmek istenen değerler sabit bir değer yerine belirli bir aralıkta değişen parametre olarak tanımlanır. Oluk başına düşen iletken sayısı parametrik olarak tanımlanarak 38, 39 ve 40 sarımlı çeşitli modeller oluşturulup analiz edilmiştir. Ancak 38 ve 40 sarım sayılı tasarımların, 39 sarımlı tasarıma göre performanslarının daha düşük olması nedeniyle sarım sayısı olarak 39 seçilmiştir. Şekil 4.1’de oluk yapısı ve sarım şekli gösterilmiştir.

Şekil 4.1. Oluk yapısı ve sarım şekli.

İncelenen diğer parametreler bs0 3-4 mm aralığında 0,2 mm aralıkla, motor kutup yayı oranı 0,75-0,95 aralığında 0,01 oranında ve mıknatıs kalınlığı 2,8-3,2 mm arasında 0,1 mm olarak değiştirilerek bu parametrelerin kombinasyonları incelenmiştir. Buna göre Şekil 4.2’deki sonuçlar elde edilmiştir.

Şekil 4.2’deki grafikler incelenerek 250 W güçte anma hız olarak 200 rpm civarında çalışan modeller tespit edilmiş, istenilen aralıkta olmayan tasarımlar elenmiştir. Ardından verim-hız grafiği incelenmiştir. Motor kutup yayı oranı düşük olan birkaç model diğer modellere göre düşük verimli olmaları nedeniyle elenmiştir. Kalan modeller Çizelge 4.2’de karşılaştırılmıştır.

Çizelge 4.2. Tasarımı en uygun olan modelin seçilmesi.

Stator dişleri arası uzunluk, bs0 [mm] Motor kutup yayı oranı (Embrace) Mıknatıs Kalınlığı [mm] Verim % Anma Hızı [rpm] Anma Momenti [Nm] Diş Etkisi (Vuruntu) Momenti [mNm] Mıknatıs Hacmi [g] Akım Yoğunluğu [A/mm^2] 3 0,85 2,8 84,8024 199,902 11,9442 11,3875 269,456 3,9961 3 0,83 2,9 84,8915 199,898 11,9448 9,59 272,653 3,9251 3,2 0,85 2,9 84,8353 199,661 11,9594 11,3355 279,222 3,9864 3,2 0,83 3 84,9235 199,702 11,9574 9,551 282,199 3,9881 3,2 0,81 3,1 85,0099 199,965 11,942 8,0783 284,73 3,9037 3,4 0,84 3 84,8977 199,881 11,947 7,939 285,599 3,9953 3,2 0,84 3 84,8912 199,191 11,9883 10,5 285,599 3,9677 3,2 0,82 3,1 84,9777 199,395 11,9762 8,8409 288,24 3,9007 3,4 0,85 3 84,8652 199,409 11,9754 8,7072 288,999 3,9008 3,2 0,8 3,2 85,0624 199,767 11,954 7,5527 290,43 3,8961 3,4 0,83 3,1 84,9517 199,526 11,9684 7,3452 291,755 3,8947 3,2 0,83 3,1 84,9452 198,84 12,0097 9,7082 291,755 3,8977 3,4 0,81 3,2 85,0368 199,835 11,9498 6,2222 294,06 3,8898 3,2 0,81 3,2 85,0304 199,152 11,909 8,2163 294,06 3,8929 3,6 0,84 3,1 84,9237 199,658 11,9604 3,587 295,27 3,8896 3,4 0,84 3,1 84,9187 199,01 11,999 8,0642 295,27 3,9605 3,2 0,84 3,1 84,9122 198,327 12,0408 10,664 295,27 3,895 3,6 0,82 3,2 85,009 199,908 11,9452 3,0301 297,691 3,8844 3,4 0,82 3,2 85,0042 199,234 11,9858 6,8045 297,691 3,8867 3,2 0,82 3,2 84,9978 198,553 12,027 8,9887 297,691 3,9424 3,8 0,85 3,1 84,8942 199,825 11,9502 2,5122 298,785 3,8857 3,6 0,85 3,1 84,8907 199,182 11,9889 3,9297 298,785 3,8872 3,4 0,85 3,1 84,8858 198,508 12,0297 8,8419 298,785 3,9406

Çizelge 4.2’de incelenen modellerin birbirine çok yakın performans gösterdiği söylenebilir. Burada hedeflenen özellikler; anma hızının daha önceden belirlenen 200 rpm civarına yakın olması, verimin daha iyi olması, maliyeti etkileyen önemli bir unsur olan mıknatıs hacminin daha az olması, vuruntu momenti ve akım yoğunluğunun az olması olarak özetlenebilir. bs0 uzunluğunun artması diş etkisi momentinin etkisini azalttığı görülmektedir. Ayrıca bu uzunluğun fazla olması daha rahat bir sarım imkânı vereceğinden uygulamada kolaylık sağlayacaktır. Mıknatıs hacmi, motor kutup yayı oranı ve mıknatıs kalınlığı ile doğru orantılı olduğundan bu iki değerin seçimi önemlidir. Mıknatıs hacmi arttığında verim az da olsa artmaktadır ancak burada uygun bir nokta belirlenmesi gerekmektedir. Çizelge incelendiğinde bs0=3,4 mm, motor kutup yayı oranı=0,84, mıknatıs kalınlığı=3 mm olan model seçilmiştir. Şekil 4.3’te bu modelin 200 rpm noktasındaki çıkış momenti ve verim grafikleri gösterilmiştir.

Şekil 4.3. Tasarıma uygun modellerin güç ve verim performansları.

Seçilen modelin performansı, Şekil 4.4–Şekil 4.12’de sunulan, RMxprt’de elde edilen grafikler aracılığı ile ifade edilmiştir.

Şekil 4.4. Motor hızına karşılık motor gücü değişimi.

Şekil 4.6. Motor hızına karşılık verimin değişimi.

Şekil 4.7. Motor hızına karşılık motor akımının değişimi.

Şekil 4.9. Vuruntu momentinin elektriksel açıya bağlı olarak değişimi.

Şekil 4.10. Çalışma geriliminin elektriksel açıya bağlı değişimi.

Şekil 4.12. Yük altında faz akımlarının elektriksel açıya bağlı değişimi.

Elde edilen tasarımın güç, moment ve verim grafiklerinin karşılaştırılan modellere göre iyi durumda olduğu görülmüştür. Anma hızındaki güç parametrik olarak tanımlanarak, farklı güçlerde aynı makinenin nasıl bir performans gösterdiği Şekil 4.13’te belirtilmiştir. Bu grafiğe göre makinenin geniş bir çalışma bölgesinde yüksek performansla çalışabileceği anlaşılmaktadır.

Şekil 4.13. Makinenin farklı güçlerdeki performansı.

4.2. MOTOR ÇIKIŞ PARAMETRELERİNİN PMXPRT’DE İNCELENMESİ Bu kısımda motor çıkış gücünün artması durumunda yani motorun yüklenmiş olduğu durumda motor sıcaklığının artmasına bağlı olarak verimin, kayıpların ve çıkış momentinin nasıl etkilendiği incelenecektir.

4.2.1. Motor Gücü ve Sıcaklık Değişiminin Verime Etkisi

Motor yüklenmesi ya da mil gücünün artmasına bağlı olarak motorun devreden çektiği akımın artması tüm motor tiplerinde görülen karakteristik bir özelliktir. Bunun sonucunda sargılarda ısınma meydana gelecektir. Bu kısımda çıkış gücü ve sargı sıcaklığı değişiminin motor verimine etkisi incelenmiştir. Motor çıkış gücü 50-300 W aralığında 50 W aralıklarla analiz edilmiştir. Buna karşılık sıcaklık değeri 0-200 °C aralığında 25 °C arayla değiştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar Şekil 4.14 ve Şekil 4.15’te sunulmuştur.

Şekil 4.14. Çıkış gücüne ve sargı sıcaklığına bağlı olarak verimin değişimi.

Şekil 4.15. Çıkış gücüne ve sargı sıcaklığına bağlı olarak verimin değişimi. Grafikler incelendiğinde, düşük güçler için ısınmanın etkili olmadığı anlaşılmaktadır. Ancak daha yüksek güçlere çıkıldıkça sıcaklığın etkisi fark edilmektedir. Özellikle anma güç ve üzerindeki güçlerde sıcaklık artışına bağlı olarak verimin azalma eğilimi gösterdiği anlaşılmaktadır.

4.2.2. Motor Gücü ve Sıcaklık Değişiminin Kayıplara Etkisi

Önceki incelemede olduğu gibi burada da motor yüklenmesi sonucu akıma bağlı olarak bakır kayıpları artmaktadır ve frekans değişmektedir. Bunun sonucunda histerezis ve girdap akım kayıplarında da değişimler olacaktır. Elde edilen sonuçlar Şekil 4.16 ve Şekil 4.17’de sunulmuştur. Buna göre anma güç olan 250 W’ın üzerinde kayıpların hızla arttığı söylenebilir. Düşük güçlerde ise kayıplar oldukça az görünmektedir.

Şekil 4.16. Çıkış gücüne ve sargı sıcaklığına bağlı olarak kayıpların değişimi.

4.2.3. Motor Gücü ve Sıcaklık Değişiminin Anma Momentine Etkisi

Motor milinin döndürme kuvveti olan anma momenti, çıkış gücü ile orantılı olarak artmaktadır. Bu incelemede amaç sıcaklık değişiminin bu durumu nasıl etkilediğini göstermektir. Elde edilen sonuçlar Şekil 4.18 ve 4.19’da sunulmuştur. 250 W’ın altındaki güçlerde sıcaklık değişimi anma momentini gözle görülür bir şekilde etkilememektedir. 250 W ve üzerindeki güçte sıcaklık artışı ile birlikte anma çıkış gücünde artış görülmektedir.

Şekil 4.18. Çıkış gücüne ve sargı sıcaklığına bağlı olarak anma momentinin değişimi.

5. SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİ İLE ELEKTROMANYETİK

ANALİZ VE EN İYİLEŞTİRME SÜRECİ

Maxwell RMxprt programında yapılan incelemelerde seçilen ve optimize edilen tasarım 2 ve 3 boyutlu hâle geçirilmiştir. Burada sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak analizler yapılmıştır. Sonlu elemanlar yönteminde makine parçaları mesh diye ifade edilen çok küçük parçalara bölünerek incelenmektedir. İnceleme hassasiyeti arttırıldıkça gerçeğe daha yakın sonuçlar alınmaktadır. Bu analizler sonucunda, oluşturulan tasarımın motor tasarım koşullarını sağlayıp sağlamadığı, makine performansının ne durumda olduğu görülecektir. 2 boyutlu analizde hava aralığındaki akı yoğunluğu, zıt-EMK, çekirdek kayıpları, vuruntu momenti ve tam yük incelenmiştir. 3 boyutlu analizde ise makinenin tam yük performansına bakılmıştır.

5.1. 2 BOYUTTA SONLU ELEMANLAR ANALİZİ

ANSYS Maxwell 2D programında açık devre çalışma (yüksüz) durumunda elektromanyetik analizler yapılmıştır. Maxwell RMxprt programından 2 boyuta geçirilen model üzerinde her bir çözüm için analiz öncesi ayarlamalar yapılarak sonuçlar elde edilmiştir. Modelde özellikle mıknatıslar, hava aralığı ve statorun hava aralığına yakın olan kısımlarına mesh hassasiyeti arttırılarak yüksek doğrulukla sonuç elde edilmeye çalışılmıştır. Analizlerin yapıldığı mesh hassasiyeti Şekil 5.1’de gösterilmiştir. Makinenin 2 boyuttaki genel görünümü Şekil 5.2’de gösterilmiştir.

Şekil 5.2. Makinenin 2 boyuttaki genel görünümü. 5.1.1. Hava Aralığı Akı Yoğunluğu

2 boyutta ilk olarak statik analiz ile hava aralığındaki akı yoğunluğunun değişimine bakılmıştır. Şekil 5.3’te hava aralığındaki akı yoğunluğunun değişimi gösterilmiştir.

Hava aralığının tam ortasından çizilen bir yay üzerinden rotor pozisyonu boyunca hava aralığı akı yoğunluğu incelenmiştir. Döner makinelerde hava aralığı uzunluğunun rotorun statora yapışmamasını sağlayıp dönmesine izin verecek kadar büyük olması gerekmektedir. Buna karşın hava aralığının fazla uzun olduğu durumda ise hava aralığı manyetik akıya karşı yüksek direnç oluşturacağından mıknatıslanma akımında artışlara ve dolayısıyla elektriksel kayıplarda artışa neden olacaktır. Bu nedenle hava aralığı uzunluğunun uygun bir değerde seçilmesi önemlidir. Küçük güçlü fırçasız motorlarda 0,5–1 mm uzunluğunda hava aralığı uzunluğunun yaygın olarak kullanıldığı bilinmektedir [30]. Tasarımda hava aralığı daha önceden belirlendiği şekilde 1 mm uzunluğundadır.

Sinyale 360° boyunca bakıldığında tepe noktalarının kutup sayısına göre oluştuğu görülmektedir. Sinyalde görülen çökmeler ise rotor pozisyonu ve stator oluk açıklıklarının konumlarından kaynaklanmaktadır. Akı yolu stator dişleri arasındaki boşluğa denk geldiğinde sinyalde çöküntüler görülmektedir, akı yolunu stator nüvesi üzerinden tamamladığında ise sinyal normal görünmektedir.

5.1.2. Back-EMF ve Çekirdek Kayıpları

Optimize edilmiş model açık devre analizinde anma hızı olan 200 rpm’de döndürülmüştür. Her bir fazda endüklenen gerilim değerleri gözlenmiştir. Şekil 5.4’te makinenin üç fazında endüklenen gerilimin zamanla değişim grafiği sunulmuştur. Elde edilen sinyal sinüzoidale çok yakın ve düzgün bir zıt-EMK sinyali olarak ifade edilebilir.

Şekil 5.4. Endüklenen gerilimin zamana göre değişimi.

Bu analiz sırasında rotor ve stator üzerindeki çekirdek kayıpları da incelenmiştir. Analiz sonucuna göre çekirdek kayıpları 5,1562 W olarak bulunmuştur.

5.1.3. Vuruntu Momenti

Oluk/kutup sayısı seçim aşamasında 36/38 oluk/kutup sayısına sahip modelin vuruntu momenti açısından diğer tasarımlara göre iyi bir sonuç verdiği ifade edilmişti. O kısımda incelenen tasarım ile optimize edilen tasarımın stator dişleri arasındaki mesafeleri aynı olduğundan vuruntu momenti grafikleri birbirine benzer seyretmektedir. Şekil 5.5’te en iyileştirilmiş modelin vuruntu momentinin değişimi gösterilmiştir. Vuruntu momenti hâlihazırda anma momentine göre çok küçük seviyelerde olduğundan dolayı vuruntuyu düşürmek için fazladan çabaya, fazladan maliyete gerek duyulmayacaktır.

Şekil 5.5. Vuruntu momentinin değişimi. 5.1.4. Tam Yük

Tam yük sonuçları 2 boyutta gerçekçi sonuç vermemektedir, bunun için 3 boyutta inceleme yapmak gerekmektedir. Şekil 5.6’da paylaşılan yük momenti grafiği ve Şekil 5.7’de paylaşılan aynı durumdaki faz akımları grafiklerinde sonuçların, olması beklenenin biraz üzerinde çıktığı görülmüştür. 3 boyutlu incelemede grafiklerin karşılaştırılması yapılacaktır. Bu grafikte analiz hassasiyeti yüksek olduğundan düzgün bir grafik elde edilmiştir.

Şekil 5.6. 2 boyutta tam yük momentinin değişimi.

Şekil 5.7. 2 boyutta faz akımlarının değişimi. 5.1.5. 2 Boyutta Elde Edilen Diğer Grafikler

Analizler sonucu elde edilen diğer grafikler aşağıda sunulmuştur. Şekil 5.8’de akı yolları görülmektedir. Şekil 5.9’da ise manyetik akı yoğunluğunun dağılımı gösterilmiştir. Manyetik akının yoğunluğu stator iç kısmında 1,7 T, stator dişlerinde 1,5 T, dişlerin uç kısımlarında bölgesel olarak 2,1 T, rotorda ise 1,5 T civarında olduğu görülmektedir.

Şekil 5.8. Akı yollarının görüntüsü.

5.2. 3 BOYUTTA SONLU ELEMANLAR ANALİZİ

Sonlu elemanlar analizinde daha gerçekçi sonuçlar almak için 3 boyutlu inceleme yapmak gerekmektedir. Ancak 3 boyutta analiz yapmak için analiz yapılacak bilgisayarın performansı önemlidir. Analizler çok uzun sürdüğünden bazen de sonuçlanmadığından dolayı mesh kalitesi 2 boyuttaki kadar iyi olmamaktadır. Bu nedenle 3 boyutta düzgün bir sinyal elde etmek zordur. Şekil 5.10 ve 5.11’de makinenin 3 boyutlu görünümleri sunulmuştur.

Şekil 5.10. Makinenin 3 boyutlu görünümü.

5.2.1. Tam Yük

3 boyuttaki tam yük incelemesinde mesh hassasiyeti mümkün olduğunca arttırılarak iyi bir sonuç elde edilmeye çalışılmıştır. Şekil 5.12’de sunulan tam yük momenti ve Şekil 5.13’te sunulan faz akımları grafikleri makine performansı hakkında bilgi vermektedir.

Şekil 5.12. 3 boyutta tam yük momentinin değişimi.

Şekil 5.13. 3 boyutta faz akımlarının değişimi.

RMxprt’de analitik hesaplamalarla elde edilen faz akımlarının tepe değeri 8 A iken, 2 boyutlu analizde tepe değerlerinin 10 A olduğu görülmüştür. 3 boyutta ise 8 ile 10 A arasında değişen tepe değerleri görülmektedir. Tam yük sonuçları faz akımları ile kendi içerisinde tutarlı görünmekte olup akım arttıkça yük momenti grafiğinin de arttığı ifade edilebilir. 3 boyuttaki analiz daha hassas bir şekilde gerçekleştirilse RMxprt’de elde edilen sonuçlara yakın değerlerin elde edilmesi beklenmektedir. Makinenin hesaplanan anma momenti 12 Nm civarındadır. 3 boyut analizinde çıkan sonuç bu değerin biraz üzerinde görünmektedir ancak daha hassas bir çözümle ve analiz süresinin arttırılmasıyla sinyalin hesaplanan değerlere geleceği anlaşılmaktadır.