Tw 5. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu (IATS 09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye EKSENEL AKILI MOTORLARDA UYGULANAN KONTROL YÖNTEMLERİNE İLİŞKİN BİR İNCELEME AN OVERVİEW CONTROL METHOD OF AXİAL FLUX MOTORS Engin HÜNER a* ve Caner AKÜNER b a* IATS 09, Karabük, Türkiye, E-posta: engin.huner@marmara.edu.tr b IATS 09, Karabük, Türkiye, E-posta: akuner@marmara.edu.tr Özet Eksenel akılı son yıllarda elektrik makinelerinde çalışılan önemli bir konu haline gelmiştir. Bu ın verimlilikleri ve güç yoğunluğu çok yüksektir. Ayrıca düşük hızda yüksek moment sağlayabilme gibi önemli özellikler vardır. Bu yüzden elektrikli araçlarda kullanılmaya çok uygundur. Bu çalışmada eksenel akılı ın yapısı, yapılan prototipleri ve kontrol sistemleri üzerine yapılan araştırmalar gözden geçirilmiştir. Ayrıca gelecekte eksenel akılı ile ilgili nelerin yapılabileceği ortaya konmuştur. Anahtar kelimeler: Eksenel Akılı Motor, Sürekli Mıknatıs, Kontrol 2. Eksenel Akılı Motorların Genel Yapısı Eksenel akılı(af) motorda manyetik akı direk eksenel olarak hava boşluğundan geçer. Genellikle stator halka, rotor ise disk yapısındadır. Moment üreten aktif parça statorun iç çapından dış çapına kadar olan radyal uzaklıktaki bölümüdür. AF motorda radyal aktif parçası değişmeden kutup sayısı arttırılabilir. Böylece eksenel uzaklık azalır ve güç yoğunluğu artar. Bundan dolayı da AF makineler düşük hızda yüksek moment üretebilirler, dolayısıyla makine yapısı da teker motor olarak kullanılmaya uygun duruma gelir[1]. Eksenel akılı sargıların bulunduğu bir stator diski ve mıknatısların bulunduğu bir rotor diskinden oluşur. Stator ve rotor sayılarına göre, mıknatısların yerleştiriliş biçimlerine ve akı yoluna bağlı olarak isimlendirilirler. Abstract Axial flux motors have become important issue on the electric machines. They have several unique features such as high efficiency, high power and torque densities. Hence they are used in the Electrical Vehicles The paper are investigated the axial flux motor structures, control systems and prototype of axial flux motors that is having investigated. In this way the paper aim common idea and obtain what are doing in future about axial flux motor. Keywords: Axial Flux Motor, Permanent Magnet, Control 1. Giriş Eksenel akılı elektrik makinelerinde son yıllarda çalışılan önemli bir konu haline gelmiştir. Fakat bu motoru ilk tasarlayan Michael Faraday dır. 19. yüzyılda bulunan bu motorun son yıllarda çalışılan bir konu halini almasının en önemli nedenlerinden biri mıknatıs teknolojisindeki gelişmeler olmuştur. Özellikle neodyum(ndfeb) gibi yüksek manyetik akı sağlayan mıknatısların bulunması ve üretim maliyetlerindeki düşmeler 1980 lerden itibaren sürekli mıknatıslı ın gelişimine yardımcı olmuştur. Eksenel akılı ın en önemli özellikleri düşük hızlarda sağladıkları yüksek moment ve yüksek güç yoğunluğudur. Bu nedenle eksenel akılı özellikle elektrikli araçlarda büyük kullanım alanı bulmuştur. Stator Şekil 1. Eksenel Akılı Motor Rotor Eksenel akılı(af) kendi içinde sürekli mıknatıslı ve indüksiyon olmak üzere ikiye ayrılırlar. Eksenel akılı indüksiyon(afi) teker eksenel akılı(wheel AF) ve iki rotorlu eksenel akılı(twin rotor AFI) olmak üzere kendi içinde ikiye ayrılır. Eksenel akılı sürekli mıknatıslı ise kendi içinde eksenel akılı yüzey yerleştirmeli sürekli mıknatıslı(afspm) ve eksenel akılı içe yerleştirmeli senkron(afipm) motor olarak ikiye ayrılır[1]. Yapılan bu çalışmada eksenel akılı motorun yapısı ve çeşitleri üzerinde durularak eksenel akılı ile ilgili yapılmış olan çalışmalar, kullanım alanları ve kontrol yöntemleri gözden geçirilmiş bununla birlikte gelecekte yapılacak çalışmaların neler olabileceği ortaya konmuştur. AFPM A IATS 09, Karabük Üniversitesi, Karabük, Türkiye AFI AF A W
mıknatıslı (AFIPM) motorla manyetik relüktansı azaltmışlardır. Ayrıca mıknatısların gömülü olması ile de daha kuvvetli bir rotor yapısı sağlanmıştır. Bu yeni tasarım manyetik relüktansı küçülterek daha fazla alan zayıflatma imkânı sağlamıştır[3]. Şekil 2. Eksenel Akılı Motorların Çeşitleri 3. Eksenel Akılı Motorlarla İlgili Yapılmış Çalışmalar Bu bölümde eksenel akılı ile ilgili yapılmış olan çalışmalar geliştirilen prototip, moment dalgalanmaları üzerine yapısal düzenlemeler, ve kontrol yöntemleri olmak üzere üç ana başlık altında toplanarak irdelenecektir. Böylece son on yıldır eksenel akılı da gelinen nokta belirlenip gelecekte nelerin yapılabileceği ortaya konacaktır. 3.1. Prototip Eksenel Akılı Motorlar Şekil-2 de verilen eksenel akılı ın çeşitleri temel çıkış noktasıdır. Özellikle son yıllarda AFI yerine AFPM üzerine durulmuş ve performanslarını iyileştirmek için çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Federico Caricchi ve arkadaşları 1996 yılında yaptıkları çalışma ile çok bölümlü, su soğutmalı ve nüvesiz statora sahip bir eksenel akılı motor tasarlamışlardır. Tasarlanan motorda rotorun karşılıklı kutupları N ve S olarak tasarlanarak manyetik akı yolunun statoru eksenel olarak geçip rotor diski üzerinden tamamlanmasına dayanmaktadır. Böylece stator nüvesiz yapılarak demir kayıpları azaltılmıştır[2]. Parviainen, A ve arkadaşları 2001 yılında eksenel akılı iç rotora sahip sürekli mıknatıslı senkron motor(afipm) önerdiler. Önerdikleri tasarımda mıknatıslara sinüzoidal şekil vererek ters elektromotor kuvvetinin daha sinüzoidal olmasını sağlamaya çalıştılar ve böylece de vuruntu momenti de azaltmayı başardılar. Bununla birlikte bu yöntemin dezavantajı mıknatıs hacmindeki azalma dolayısıyla moment düşmesidir[4]. Metin Aydın ve arkadaşları yeni bir alan kontrolü yapılabilen yüzey yerleştirmeli sürekli mıknatıslı eksenel akılı motor önermişlerdir. Aşağıda şekilde gösterildiği gibi çift rotorlu eksenel akılı motorun rotor yapısı mıknatıslardan ve yumuşak demir malzemeden oluşmuştur. Statoru ise oyuklu bir yapıda olmakla beraber statorun tam orta noktasında bir dc sargı mevcuttur. Bu sargı sayesinde bir manyetik alan üretilmekte ve rotordaki yumuşak demir malzemeye manyetik özellik kazandırılmaktadır. Bu sayede istenilirse pozitif katkı sağlayacak şekilde manyetik alan arttırılmakta istenilirside negatif yönde manyetik alan azaltılabilmektedir. Yapılmış olan bu çalışma ile demanyetiksizleştirme tehlikesi olmaksızın ve motora d eksen akımı verilmeksizin manyetik alan zayıflatılması bu yeni tasarımla mümkün olmaktadır[5]. Şekil 3.1.2. Eksenel Akılı Alan Zayıflatmalı Motor Y.P. Yang ve arkadaşları 2002 yılında elektrikli araçlar için eksenel akılı sürekli mıknatıslı dc motorun optimum tasarımını ve kontrolünü gerçekleştirmişlerdir. Alınan en önemli sonuç moment dalgalanmalarında tasarladıkları 4 fazlı motorda 3 fazlı motora göre %18,9 dan %2,7 ye inmiştir. Böylece faz sayısının artması motor performansı üzerine olumlu bir etki oluşturmuştur[6]. Şekil-3.1.1. Çok Bölümlü AFPM F. Profumo ve arkadaşları 1998 yılında soft manyetik malzemeden (SMC) yaptıkları eksenel akılı iç sürekli Jacek F. Gieras ve arkadaşları 2002 yılında tasarladıkları nüvesiz tipli eksenel akılı motorun performans analizini gerçekleştirmişlerdir. Tasarımda kullandıkları halback mıknatıs dizilimi sayesinde manyetik akının tepe değeri 0,6 tesla yı aşmıştır[7].
pompası olarak kullanılmıştır. Ayrıca yüksek momente sahip olması, küçük yapısı ve düşük fiyatı ile de önemli uygulama alanlarında kullanılabilir[9]. Şekil-3.1.3. Halbach Dizilimi Bu da yüksek güçlü bir motor tasarımı için yeterlidir. Tasarımda trepozidial sargılar ve rotorda ferromanyetik olmayan malzeme kullanılmıştır. Sargılar epoxy reçine ile kaplanarak daha kararlı bir yapı oluşturması sağlanmıştır. Yeni yapılan tasarımın (10kw) nüveli tipine göre toplam ağarlığı %45 daha düşük ve güç yoğunluğu ise %82 daha fazladır. Bu yeni yapılan motorda vuruntu momenti sıfırdır. Manyetik nüve olmadığı içinde histeresiz ve eddy akımları yoktur[7]. J.A. Tapia ve arkadaşları yaptıkları çalışmada rotor yapısında mıknatıs ve yumuşak demir malzeme kullanarak alan zayıflatma imkânı sağlamışlardır. Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi rotorun iç yarıçapa yakın olan kısımları yumuşak demir malzemeden yapılmıştır. Üst kısma ise mıknatıs konulmuştur. Böylece rotorun üst kısmının relüktans yüksek alt kısmının relüktansı azaltılmıştır. Alan zayıflatma tekniği olarak bu çalışmada d eksen akımı kontrol edilerek sağlanmış önerilen tasarımla da mıknatısların demanyetiksizleştirme riski azaltılmıştır[8]. Metin Aydının yaptığı çalışmada ise yumuşak demir ve dc sargı kullanılarak d eksen akımının kontrolüne ihtiyaç duyulmadan alan zayıflatması sağlanarak moment kontrolü sağlanmış ve demanyetiksizleştirme riski de sıfıra indirilmiştir. Şekil-3.1.5. Çıkıntı Kutuplu Eksenel Akılı Motorun Mıkantıs Dizilimi F. Locment ve arkadaşları 2006 yılında bir araştırma projesi kapsamında yumuşak manyetik kompozit kullanarak yedi fazlı eksenel akılı bir motor geliştirdiler. Vuruntu momenti önlemek için iki rotorun birbirine göre kaydırılması tekniğini kullandılar ve 3 fazlı a göre daha iyi bir sonuç verdiği gözlemlendi[10]. 3.2. Vuruntu Momentinin Giderilmesi İçin Alınan önlemler Eksenel akılı da en büyük sorunlardan biri motorun yapısındaki relüktans farkından dolayı meydana gelen vuruntu momentidir. Vuruntu momentinin gidermek amacıyla literatürde de çalışıldığı üzere değişik teknikler bulunmuştur. Bunlar mıknatıs şeklini değiştirmek, mıknatıs yerleştiriliş açısını ayarlamak, statoru nüvesiz yapmak, kullanılan faz sayısını arttırmak, rotora yumuşak demir malzeme eklemek olarak sayılabilir. Bu yöntemlerin bir kısmı yukarıdaki bölümde açıklanmıştır[4-8],[10]. F. Caricchi ve arkadaşları 2002 yılında yaptıkları çalışmada rotordaki mıknatısları saat yönünde ve tersinde döndürebilecek bir düzenek kurmuşlardır. Bu düzenekle değişik açılarda motorun vuruntu momentine bakılmış ve 19 0 de minumum vuruntu momenti(7nm) elde edilmiştir. Bu değer toplam momentin %5 ine tekabül etmektedir. Ayrıca mıknatıs kaydırması yapılmadan önceki vuruntu momenti da %82 azaltılmıştır[11]. Şekil- 3.1.4. Eksenel Akılı Motor Ernest A. Mendrela ve Mariusz Jagieła 2004 yılında önerdikleri çıkıntı kutuplu eksenel akılı bir fazlı motorda ilk kalkış momentinin yüksek olması için mıknatıs diziliminin asitmetrik olarak gerçekleştirdiler. Literatürde de bahsedilen bu yöntem sayesinde ilk kalkış momentinin yüksek olması sağlandı. Aşağıda verilen şekilde de mıknatıs dizilimi verilmiştir. Tasarımı yapılan bu motor su Şekil-3.2.1. Mıknatıs Kaydırma
Metin Aydın ve arkadaşlarının 2007 yılında yaptığı çalışmada vuruntu momentini azaltmak için çeşitli kayık şekilleri denemişlerdir. Bir kısmı aşağıdaki şekillerde gösterildiği gibidir. Kayık teknikleri ile vuruntu momenti azaltılabilmektedir. Fakat uygulamasının pahalı olması ve toplamdaki momenti azaltmaları da dezavantajlı yönleridir. Yine yapılmış olan bu çalışmada kutup sayısı ile slot sayısı oranının da vuruntu momenti üzerinde etkisi olduğundan bahsedilmiştir. Çünkü kutup kenarları ile slot kenarlarının etkileşimi ile vuruntu momenti meydana gelmektedir[12]. Şekil-3.2.2. Mıkatısın ADCB den ABD C haline getirilmesi olan değişken yapısal stratejiye(vss) dayanmaktadır. Bu teknikte dış çevrim bilgilerini alır. Bunlar motorun hız bilgisi veya konum bilgisi olabilir. Bu bilgileri istenilen momenti yakalamak amacıyla anlık olarak kullanır. Böylece düşük bir akım değeri ile istenilen moment sağlanmış olur. Ayrıca d eksen akımı sıfırda tutularak kayıplarda azaltılmıştır[14]. John S. Hsu 1998 yılında yaptığı çalışmada yeni bir alan zayıflama tekniği önermiştir. Alan zayıflatma hem radyal hem de eksenel akılı ın elektrikli araçlarda kullanıldığı zaman gerekli olan bir durumdur. Çünkü elektrikli aracın hızı arttığında yüksek momente ihtiyaç yoktur. Geleneksel yöntemde alan zayıflatma d ve q eksen takımlarındaki akımları kontrol ederek gerçekleştirilmektedir. Bu kontrol yönteminin mıknatısları demanyetiksizleştirme gibi olumsuz etkileri vardır. Ayrıca karmaşık güç elektroniği devresi ve konum sensörlerine ihtiyaç duyar. Önerilen yeni sistemde alan zayıflatma için kutupların yanlarına yumuşak demir malzeme ve statora dc kontrol sargısı yerleştirilmiştir. DC kontrol sargısından geçen akım yönü değiştirilerek demirde bir mıknatıslanma oluşturulmakta böylelikle toplam manyetik alan kontrol edilebilmektedir. Bu yeni sistemde mıknatısların demanyetiksizleşme durumu da ortadan kaldırılmaktadır. Ayrıca karmaşık güç elektroniği devrelerine ve konum sensörlerine de gerek kalmamaktadır[15]. A. Lidozzi ve arkadaşları eksenel akılı motor kontrolünde kullanılan lineer kontrol yöntemlerine alternatif olarak nonlineer kontrol yöntemi önermişlerdir. Önerdikleri yöntem vektör kontrollü sürekli mıknatıslı motorun yüksek dinamik kontrolüne dayanmaktadır. Böylelikle lineer bölge dışında da motorun kontrolü gerçeklenebilmektedir[16]. 4. Sonuç Şekil-3.2.3. Mıkatısların farklı kaykı şekilleri 3.3. Kullanılan Kontrol Yöntemleri Eksenel akılı ile ilgili yapılan çalışmalar incelendiğinde kontrol ile ilgili çalışmaların elektrikli araçların viraj kontrolü, kayma kontrolü gibi konuların üstünde durulduğu görülür. Çünkü bu ın en iyi uygulama alanları kendilerine has özellikleri olan düşük hızda yüksek momentlerinden dolayı elektrikli araçlar oluşturmaktadır. Fakat moment dalgalanmalarını gidermek amacıyla yapılan kontrol uygulamaları da mevcuttur. B. Hredzak ve S. Gair tasarladıkları vektör kontrolörü ile elektrikli araçta kullanılan eksenel akılı motorun yol şartlarından dolayı meydana gelen moment dalgalanmalarını gidermişlerdir. Bunun için durum uzay gözlemleyicisinden aldıkları akı değişimini kullanarak giriş akımını düzenlemişlerdir[13]. Lm Fong Teng ve arkadaşları beş fazlı eksenel akılı motorun moment dalgalanmalarını gidermek için geleneksel akım kontrolörü yerine değişken yapısal stratejisi(vss) sunmuşlardır. Geleneksel akım kontrolörlerinde algılanan akım referans akımla karşılaştırılarak yeni bir kontrol sinyali üretilir. Bu tip kontrolörde fark edilebilir moment dalgalanmaları görülmektedir. Önerilen teknik ise anlık moment kontrolü Yapılan bu çalışma ile eksenel akılı ın son yıllarda elektrik makineleri alanında önemli bir çalışma konusu haline geldiği görülmektedir. Özellikle düşük hızlarda sağladıkları yüksek moment nedeniyle elektrikli araçlar en önemli kullanım alanlarını oluşturmaktadır. Elektrikli araçlarda hız arttıkça momentin düşmesi gerekmektedir. Bunu sağlamak içinde eksenel akılı da değişik alan zayıflatma teknikleri üzerinde durulmuştur. Böylelikle farklı hızlarda moment kontrolü de gerçekleştirilebilmektedir. Eksenel akılı ın üzerinde yapılan çalışmaların büyük çoğunluğunun prototip geliştirme, elektrikli araçlar ve moment dalgalanmalarını giderici yapısal değişiklikler üzerine odaklandığı görülmektedir. Bununla birlikte hız ve moment kontrolü sağlayacak kontrol yöntemleri üzerine yapılan çalışmalar azdır. Özellikle yeni önerilen alan zayıflatma teknikleri ile birleştirilebilen eksenel akılı motorun hız ve moment kontrolü ileride yapılabilecek önemli çalışma konuları olarak önerilebilir. Kaynaklar [1] Profumo, F. Zhang, Z. And Tenconi T.. Axial Flux Machines: A New Viable Solution for Electric Cars. IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.44, No:1. 1999.
[2] Caricchi, F. Crescimbini, F. Mezzetti, F. and Santini, E.. Multistage Axial-Flux PM Machine for Wheel Direct Drive, IEEE Transactıons On Industry Applıcatıons, Vol. 32, No. 4, Julyıaugust 1996. [3] Profumo, F. Tenconi, A. Zhang, Z. and Cavagnino, A.. Novel Axial Flux Interior PM Synchronous Motor Realized with Powdered Soft Magnetic Materials, IEEE 1998. [4] Parviainen, A. Pyrhönen, J. and Niemelä M.. Axıal Flux Interıor Permanent Magnet Synchronous Motor Wıth Sınusoıdally Shaped Magnets, ISEF 2001-10th International Symposium on Electromagnetic Fields in Electrical Engineering Cracow, Poland, September 20-22, 2001 [5] Aydin, M. Huang, S. and A. Lipo, S.. A New Axial Flux Surface Mounted Permanent Magnet Machine Capable of Field Control. [6] Yang, Y.P. Cheung, C.H. Wu, S.W. and Wang, J.P.. Optımal Desıgn And Control Of Axıal-Flux Brushless Dc Wheel Motor For Electrıcal Vehıcles, Proceedings of the 10th Mediterranean Conference on Control and Automation - MED2002 [7] Gieras, J.F. and Gieras, I.A.. Performance Analysis of a Coreless Permanent Magnet Brushless Motor, IEEE, 2002. [8],Tapia, J.A. Gonzalez, D. Wallace, R. And Valenzuela, A.. Axial Flux Surface Mounted PM Machine with Field Weakening Capability. [9] Mendrela, E. A. And Jagieła, M.. Analysis of Torque Developed in Axial Flux, Single-Phase Brushless DC Motor With Salient-Pole Stator, IEEE Transactıons On Energy Conversıon, Vol. 19, No. 2, June 2004. [10] Locment, F. Semail, E. and Piriou, F.. Soft Magnetic Composite Axial Flux Seven-Phase Machine, 2006 [11] Caricchi, F. Giulii, C. F. Crescimbini, F. Solero, L.. Experimental Study onreducing Cogging Torque and Core Power Loss in Axial-Flux Permanent-Magnet Machines with Slotted Winding, IEEE, 2002. [12] Aydin, M. Zhu, Z. Q. Lipo, T. A. and Howe, D..Minimization of Cogging Torque in Axial-Flux Permanent-Magnet Machines: Design Concepts, IEEE Transactıons On Magnetıcs, Vol. 43, No. 9, September 2007 [13] Hredzak, B. and Gai, S.. Elimination of Torque Pulsations in a Direct Drive EV Wheel Motor, IEEE Transactıons On Magnetıcs, Vol 32, No 5, September 1996. [14] Teng, L. F. Tseng, J. K. and Luo, F. L.. A VSS Torque Control Strategy for Multi-Phase PM Brushless DC Motor Drive, IEEE, 1998. [15] Hsu J. S.. A Machine Approach for Field Weakening of Permanent Magnet Motors, Society of Automotive Engineers, 1998. [16] Lidozzi, A. Solero, L. Taddia, P.. Synergetic Control for Axial-Flux PM Motor Drivers, IEEE, 2005. Hüner, E. ve Aküner, C.