OTEKON 14 7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi 26 27 Mayıs 2014, BURSA Otomotiv Uygulamalarında Kullanılacak Eksenel Akılı Sürekli Mıknatıslı BLDC Motor Tasarım Modeli Emrah Çetin *, Ferhat Daldaban * * Erciyes Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Müh. Böl., KAYSERİ ÖZET Bu çalışmada elektrikli araçlar için en uygun motorlardan birisi olan eksenel akılı sürekli mıknatıslı fırçasız dc motorların tasarımı için gereken aşamalardan bahsedilmiştir. Bu motor türünün diğer motor türlerine göre neden daha avantajlı olduğu incelenmiş, hâlihazırda literatürde yapılan çalışmalar ve temel tasarım özellikleri üzerinde durulmuştur. Eksenel akılı sürekli mıknatıslı fırçasız dc motorun diğer motorlar içerisindeki yeri ve bu motorun tasarımını yaparken dikkat edilmesi gereken hususlar belirtilmiştir. Eksenel akılı sürekli mıknatıslı fırçasız dc motor tasarımı temel başlıklar halinde incelenerek, tasarım çalışmaları için bir yol haritası çıkarılmıştır. Fiziksel gereksinimlerin belirlenmesinden, prototip oluşturuluncaya kadar olan süreç adım adım açıklanmıştır. Anahtar kelimeler: Eksenel akılı sürekli mıknatıslı fırçasız dc motor, eksenel akılı motor, sürekli mıknatıslı motor, motor tasarım aşamaları, motor modeli AXIAL FLUX PERMANENT MAGNET BLDC MOTOR DESIGN MODEL WHICH WILL USE IN AUTOMOTIVEAPPLICATIONS ABSTRACT In this paper, it s mentioned about the design model for the one of the most appropriate motor for electric vehicles which is called as axial flux permanent magnet brushless dc motor. It is clarified why that kind of motor is favoured instead of others and discoursed the basic design specs by taking account of the literature studies.the position of axial flux permanent magnet brushless dc motor in the electric machinery is showed and the regarding points of designing these kind of motors are pointed out. The road map of designing aspects are extracted step by step, from the determining of physcical parameters to building of a prototype. Keywords: Axial flux permanent magnet brushless dc motor, Axial flux motor, pm motor, motor model, bldc motor 1. GİRİŞ Son günlerde dünyanın önde gelen otomobil markaları düşük yakıt maliyeti nedeniyle elektrikli araba lansmanları yapmakta, birçok firma, kurum ve/veya devlet de bu alanda çalışmalar gerçekleştirmektedir. Farklı modeller, farklı tasarımlar ile daha iyi, daha verimli araçlar için adeta yarışılmaktadır. Bunun için bir elektrikli aracın olabilecek bütün aksamlarında yoğun arge faaliyetleri yürütülmektedir. Bu çalışmaların önemli bir kısmı da batarya ve motor üretimi üzerinde yoğunlaşmaktadır. Bu çalışmada tasarımcılara yön vermek ve bir yol haritası ortaya koymak amacıyla, özellikleri ve avantajları bakımından en uygun motor türlerinden birisi olan eksenel akılı sürekli mıknatıslı fırçasız dc motor için tasarım aşamalarını gösteren bir tasarım modeli üzerinde durulmuştur. Son yıllarda elektrik makineleri alanında baskın bir şekilde hâkim hale gelen sürekli mıknatıslı motor sınıfından olan eksenel akılı sürekli mıknatıslı fırçasız dc motor, diğer motor türlerine göre birçok avantaja sahiptir. Uyarma alanı olmadığından rotor kayıplarının ciddi oranda azaltılması sebebiyle verimi daha yüksektir. Ayrıca eksenel akının vermiş olduğu en büyük avantajlardan birisi yüksek güç yoğunluğudur. Kilogram başına düşen enerji (watt/kg) miktarı diğer motor türlerine kıyasla oldukça iyi seviyededir. Konvansiyonel radyal akılı motorlara göre daha az çekirdek malzemelerine ihtiyaç duymaktadırlar. Titreşim ve 1
gürültü seviyesi bakımından da eksenel akılı motorların üstünlüğü bulunmaktadır. Dahası kolaylıkla ayarlanabilen hava aralığına sahiptirler. Doğrudan sisteme entegre olabilmesi de elektrikli araçlarda kullanım açısından önemli bir özelliktir. Özellikle teker içerisine yerleştirilmiş motor bulunan bir elektrikli araç tasarlayacak tasarımcılar biçilmiş kaftandır denilebilir. Bir kaç Watt değerinden MW lar seviyesine kadar eksenel akılı sürekli mıknatıslı motor tasarımı yapılabilir. Eksenel akılı sürekli mıknatıslı motor çıkış gücü arttıkça, rotor yüzey bağlantısı ile şaft arasındaki oran azalmaktadır. O nedenle daha yüksek güçlerin tasarımı da güçleşmektedir. Ancak bu da çoklu disk yapısı ile çözümlenmektedir. - Düzlemsel ve ayarlanabilir hava aralığı - Çekirdek malzemede kayıpların azaltılmasıyla daha yüksek güç yoğunluğu - Yapısal özellikleri ile aynı güç ve tork değerlerinde daha ideal tasarım yapılabilirlik - Daha çok kutup sayısına uygunluğu nedeniyle yüksek frekans ya da düşük hızlara uygunluk Şekil 3 ve şekil 4 te beş farklı güç seviyesindeki farklı tasarım eksenel akılı sürekli mıknatıslı motor ile radyal akılı motorların karşılaştırılması verilmiştir. Bu karşılaştırmadan da görüldüğü üzere, verilen güç değerlerinde eksenel akılı sürekli mıknatıslı motorlar daha düşük hacim ve daha az çeliğe ihtiyaç duymaktadır. Şekil 1. (a) radyal akılı; (b) eksenel akılı; sürekli mıknatıslı motor genel yapıları [2] Şekil 3. Aktif hacim (m3) ile çıkış gücü (kw) arası ilişki [4] Şekil 2. İki rotor bir statorlu eksenel akılı fırçasız dc motorun genel yapısı [3]: (a) yapı; (b) stator; (c) rotor. 1: Sürekli Mıknatıs, 2: rotor dış çelik diski, 3: stator kutbu, 4: stator sargısı. Radyal akılı sürekli mıknatıslı motorlar, yeni teknolojiler, soğutma teknikleri, kütle başına düşen güç yoğunluğunun artması gibi sebeplerle elektrik makineleri içerisinde dezavantajlı konuma gelmiştir. Yeni bir yapı ortaya konulana kadar da böyle devam edecektir. Bunun yanında eksenel akılı sürekli mıknatıslı motor yüksek güç yoğunluğuna sahip olmasına rağmen, eşdeğerine göre daha kompakt bir yapıdadır. Genel olarak eksenel akılı sürekli mıknatıslı motorların, radyal akılı olanlara göre avantajları ise şu şekilde özetlenebilir; - Daha geniş yarıçap / uzunluk oranı Şekil 4. Çelik ağırlığı (kg) ile çıkış gücü (kw) arası ilişki [4] 2. LİTERATÜR ÖZETİ Eksenel akılı sürekli mıknatıslı fırçasız dc motorlar mıknatısların bulunduğu konuma göre; dahili mıknatıslı ya da yüzey mıknatıslı olarak ikiye ayrılabilir. Dahili mıknatıslı olanlar en az tek rotor iki statorlu olmakla beraber, yüzey mıknatıslı olanlarda en az tek rotor tek statorlu olabilmektedir. Literatürde de bu motor yapısı üzerine birçok çalışma yapılmıştır. F. Jurca ve arkadaşları, 2012 yılında yayınladıkları 2
makalelerinde dahili mıknatıslı ve tek rotor iki statorlu yapıya göre bir prototip geliştirip incelemişlerdir. 2004 yılında M.Aydin ve arkadaşları eksenel akılı motor türleri için genel bir inceleme yapmış ve değişik rotor ve stator sayıları bulunan motorları bir araya toplamışlardır.[1] J.F Gieras ve arkadaşları 2005 yılında yayınladıkları ve sadece eksenel akılı sürekli mıknatıslı fırçasız motorlar üzerine yazdıkları kitaplarında bu motorların bir çok türüne ait temel prensipleri, manyetik devre oluşumundan fabrikasyonuna kadar çeşitli konuları bir araya getirmişlerdir.[3] 3. MOTOR TASARIMI Kullanım alanı oldukça geniş olan eksenel akılı sürekli mıknatıslı fırçasız dc motorlar, tasarım olarak uygulamaya göre çeşitlilik kazanmıştır. Otomotivden[6,7] robotiğe[8], rüzgâr jeneratöründen[9] havacılık uygulamalarına[10] kadar birçok alan için geliştirilmiştir. Her ne kadar çok geniş bir alanda kullanılsa da, bu motorların tasarım süreci yaklaşık olarak aynı aşamalardan geçmektedir. Uygulamanın farklı olması, gereksinimlerin farklılığı, motora duyulan ihtiyacın optimum düzeyde karşılanabilmesi için dört aşamalı bir tasarım sürecinden geçmesi gerekmektedir. - Bir tasarıma başlamadan, tasarımın yapılacak motordan ne istenildiğinin bilinmesi gerekir. O nedenle fiziksel gereksinimlerin kesin ve net bir biçimde belirlenmesi çok önemlidir. Motor Fiziksel Ebatları Manyetik Devre Modeli Manyetik Optimizasyon Sonlu Elemanlar Analizi Fiziksel Yapılabilirlik Mekanik Optimizasyon Termal Yapılabilirlik Termal Optimizasyon Fiziksel Gereksinimler Şekil 5. Motor tasarım süreci Prototip - Başlangıç parametreleri belirlenen motorun bu parametrelere göre manyetik eşdeğer devresinin çıkarılması gerekmektedir[6,11,12]. R.B.Mignot ve arkadaşlarına göre çıkarılan bu manyetik eşdeğer devrenin analitik çözümü yapılırsa, devredeki hava aralığı manyetik akı yoğunluğu, mıknatıs kalınlığı, devrenin toplam relüktansı, zıt EMK değeri, sargı direnci, self indüktansı, torku ve çıkış gücü hesaplanabilir[6]. R.J.Wang ve arkadaşlarına göre ise stator sargı direnci, eddy akım direnci, sargı sonu direnci, güç faktörü, faz gerilimleri, görünür gücü ve kararlı durum elektromanyetik torku hesaplanabilir.[11] - Hesapları yapılan parametrelerin optimum düzeye gelebilmesi için geliştirilen paket programların yanı sıra, optimuma en yakın olabilecek kendi geliştirdiğimiz motor modeli ile de optimizasyon çalışması yapılabilir. Ancak motor modeli ile çalıştıktan sonra da paket yazılımlar kullanarak daha da optimum sonuç elde edilebilecektir. - d ve q eksenlerindeki endüktans değeri ile zıt EMK eksenel akılı motorların performans hesabı için kritik öneme sahip parametrelerdir. Bu değerleri analitik yöntemlerle çözmek zor ve zahmetli bir iştir. Ancak günümüzde sonlu elemanlar analizi yapabilen paket programlar ile çok kısa sürede çözüm sağlanabilmektedir. - Bütün çözümler yapıldıktan sonra elde edilen sonuçların fiziksel yapılabilirliği incelenerek, gerçeğe uygunluk açısından dikkatli bir gözden geçirme yapılması gerekmektedir. - Fiziksel yapılabilirliği olan çıktının, ayrıca minimum maliyet açısından incelenerek, maksimum fayda alınabilecek bir mekanik değerlendirme yapılmalıdır. İstenilen hacim ve boyutlardaki motordan istenilen güç ve tork değerlerini alabilmek için yeni bir optimizasyon yapılması gerekmektedir. - Bütün yeterlilikler tamamlandıktan sonra otomotiv, savunma, uzay gibi özellikle yüksek güvenlik gerektiren uygulamalarda termal analiz mutlaka yapılması gereken bir incelemedir. Kullanılan malzemelerin cinsi ve sınıfına bağlı olarak motorun maksimum çalışma sıcaklığı belirlenmelidir. Ayrıca mıknatısları demanyetize olmaması için gereken sıcaklık değeri de dikkate alınmalıdır. - Sıcaklık optimizasyonu için termal iletkenlik yolu kullanılarak bir termal eşdeğer devre üzerinden çalışılması fayda sağlayacaktır. Bunun için Kaveh ve arkadaşlarının yapmış olduğu çalışmada 500Kw lık eksenel akılı sürekli mıknatıslı bir motor incelenerek kararlı durum termal iletkenlik modeli çıkarılmıştır.[13] Günümüzde pek çok tasarım uzmanı, bu tasarım aşamalarına fiziksel gereksinimleri tahmini olarak belirledikten sonra doğrudan prototip üretimine geçerek süreci tersine işletmektedir. Şekil 5 te kesikli oklarla gösterildiği gibi bu aşamaların her birinden sonra prototip aşamasına geçilebilir. Ancak bu durum gerekli analizler yapılmadığı için ortaya çıkacak riskleri de beraberinde getirecektir. Bunun yanında pratik test sonuçlarına göre yeniden prototip üretimi, yeniden düzeltmeler gerektirecek tekrarlı bir sürece neden olunacaktır. Bu da hem maliyeti artıracak hem de ürün geliştirme sürecini uzatacaktır. Her ne kadar manyetik devre modeli ile elde edilen sonuçlar optimuma yakın olsa da, elde edilecek 3
prototip verileri istenilen düzeyde olmayabilir ve aynı zamanda minimum maliyet maksimum iş prensibinden uzaklaşılabilir. Tasarım süreci başından sonuna kadar titizlikle yapıldığı takdirde sonuçta üretilecek prototip üretim hataları sıfır sayılırsa tek olacaktır. 4. ELEKTRİKLİ ARAÇ UYGULAMALARI Bilindiği gibi elektrikli araçlar hibrit ve sadece elektrikli olmak üzere iki kısıma ayrılmaktadır. Her iki tür elektrikli araç motorunun da sahip olması gereken bazı özellikler şu şekilde sıralanabilir; - Güç seviyesi; yüksek anlık güç, yüksek güç yoğunluğu - Tork-Hız karakteristiği; kalkış ve tırmanma için yüksek tork- düşük hız, hareket halinde iken yüksek hız- düşük tork, sabit tork ve güç aralığı içeren geniş hız aralığı, hızlı tork tepkisi - Geniş hız ve tork aralığında yüksek verimlilik - Yüksek güvenlik seviyesi; yağmur, kar, çarpışma, titreşime dayanıklılık - Düşük maliyet Şekil 6. Hibrit elektrikli araç yapısı 1-içten yanmalı motor, 2-eksenel akılı elektrik motoru, 3- krank mili 4- vites kutusu 5-inverter 6-akü [3] Bu özellikleri dikkate alarak motor tasarım aşamalarını teker teker gerçekleştirmek en uygunu olacaktır. Birinci aşamada olduğu gibi tasarıma başlarken tasarımı yapılacak elektrikli aracın taşıyacağı yük, ne için kullanılacağı, gereken tork değeri (N.m), motor gücü (kw) gibi genel özelliklerinin belirlenmesi gerekmektedir. Şekil 6 da seri bir hibrit elektrikli araç yapısı gösterilmiştir. Sadece elektrikli araçlarda, tek enerji kaynağı akülerdir. Eksenel akılı sürekli mıknatıslı fırçasız dc motorlar genellikle direkt sürülebilme özelliği avantajı ile teker içi motor olarak kullanılmaktadır. (Şekil 7.b) Eksenel akılı sürekli mıknatıslı fırçasız dc motorların fiziksel özellikleri bu yapıya olanak sağlamaktadır. Bunun dışında da diferansiyel şaftlar aracılığı ile sürülebilen motorlar da kullanılabilir. (Şekil 7.a) [14] Şekil 7. Elektrikli araç yapıları (a) Şaftlı sistem (b)teker içi istemi, Teker içi sistemin ayrıntısı; 1-teker, 2-eksenel akılı elektrik motoru 3- stator 4-şaft 5-damper 6-yay 7- şase [3] Teker içi eksenel akılı motor kullanılarak karmaşık elektromekanik sistem daha basit bir hale getirilmektedir. Çünkü tahrik millerine ve sabit hız mafsallarına ihtiyaç duyulmamaktadır. Ancak, rotorun düşük hızlarda çalışması nedeniyle aşırı yüklenmelere dayanıklı olması gerekmektedir. 5. SONUÇ Bu çalışmada, eksenel akılı sürekli mıknatıslı fırçasız dc motorların tasarımı ve bu tasarımın elektrikli araçlarda kullanımı konusu incelenmiştir. Motor tasarım modeli adım adım açıklanmış ve bu aşamalardan geçen bir motorun üretim hataları dışında optimum olacağı belirtilmiştir. İstenilen parametrelere en kısa ve en az maliyetle ulaşmak isteyen bir tasarımcının yol haritası çıkarılmıştır. İki farklı yapıdaki sadece elektrikli araçlarda bu motor türünün teker içi motor olarak kullanılması ile sistemin ne kadar basitleştirildiği gösterilmiştir. KAYNAKLAR 1. Aydın, M., S. Huang., T.A. Lipo., 2004, Axial flux Permanent Magnet Disc Machines; A Review, Speedam. 2. Mendrela E., Lukaniszyn M., and Macek- KaminskaK., 2002. Electronically commutated d.c. brushless disc motors Warsaw: Gnome. 3. J.F. Giearas, R.F. Wang, M.J. Kamper, 2005 Axial Flux Permanent Magnet Brushless Machines, 4. Sitapati K., and Krishnan R. 2001 Performance comparisons of radial and axial field permanent magnet brushless machines, IEEE Trans. IA- 37(5): 1219 1226 5. F.Jurca, D. Fodorean, 2012 Axial flux Permanent Magnet Synchronous Motor for Small Electric Traction Vehicle, International Symposium on Power Electronics,Electrical Drives, Automation an Motion 6. R.B. Mignot, F.Dubas, C.Espanet, D. Chamagne. 2012 Design of Axial Flux PM Motor for Electric Vehicle via a Magnetic Equivalent Circuit, International Conference on Renewable Energies and Vehicular Technology. 4
7. S.S.Nair, S. Nalakath, S.J. Dhinagar, 2011, Design and Analysis of Axial Flux Permanent Magnet BLDC Motor for Automotive Applications IEEE International Electric machines & Drives Conference 8. J.M. Seo, S.Rhyu,J.Kim, J. Choi, I. Jung, 2010, Design of Axial Flux Permanent Magnet Brushless DC Motor for Robot Joint Module, International Power Electronics Conference 9. G.F. Price, T. D. Batzel, M.Comanescu, B.A. Muller,2008 Design and Testing of a Permanent Magnet Axial Flux Wind Power Generator, IAJC-IJME International Conference 10. S. De, M. Rajne, S. Poosapati C. Patel, K. Gopakumar 2010, Low Inductance Axial Flux BLDC Motor Drive for More Electric Aircraft, IEEEAC. 11. R.J. Wang, M.J.Kamper, K.V. Westhuizen,J.F.Gieras 2005, Optimal Design of a Coreless stator Axial Flux Permanent Magnet Generator, IEEE Transactions on Magnetics Vol 41 12. H.B.Ertan, B.Dağ, G.Capolino, 2002, An Accurate Model for the Calculation of Some Parameters of Single-Phase Permanent Magnet Motors International Conference on Electrical Machines 13. K.Saffarin, A. Darabi, M.Chahartaghi, 2012, Comparison between Lumped-parameter Model and FEA for Steady State Temperature of an AFPM Motor International Journal of Research in Engineering and Technology Vol.1 No.5 14. S. Gair, J.F. Eastham, F. Profumo 1995, Permanent magnet brushless d.c. drives for electric vehicles, Int. Aeagean Conf. on Electr. Machines and Power Electronics ACEMP 95, pp. 638 643, Turkey. 5
6