1

T.C.

SAKARYA ÜNİVERSİTESİ

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ

BÖLÜMÜ

Hub Motor Tasarım ve Üretimi

HAZIRLAYAN

Barış AKYÜZ

AĞUSTOS 2008

2

İçindekiler Sayfa

Özet iii

Teşekkür iv

Şekiller Listesi v

1.Bölüm

1.1 Özellikler 1 1.2 AFPM Makinelerinin Gelişimi 2 1.3 AFPM Makinelerinin Çeşitleri 5 1.4 Makine Geometrisi ve Topolojileri 6 1.5Afpm ve Rfpm Makinelerin Karşılaştırılması 10

2.Bölüm

2.1 Csiro Hub Motor 11 2.2 Özellikler 12 2.2.1Eksenel akı seçilmesinin sebepler 13 2.2.2 Çekirdeksiz stator seçilmesinin sebepleri 14 2.2.3 Mıknatıs düzeni 14 2.2.4 Verim kayıplarının kaynakları 14 2.2.5 Kutup sayısının seçimi 15 2.2.6 Hava aralığı mesafesinin etkisi 16 2.3 Elektrikli Araçta Motorun Kullanımı 16 2.3.1Dört çevrimli 17 2.3.2 İki çevrimli 18 2.4 Motor Sürücü 18 2.4.1 Motor sürücü için gerekli bilgiler 18 2.4.2 Rotor Pozisyon Sensörü 19 3.Bölüm 3.1 Stato 20 3.2Rotor 20 3.2.1 Rotor ve Statorun Montaj Şartları 21 3.3. Motor Aksı 21

3

3.4. Stator Flanşları 23 3.4.1. Motor Sabit Kısmının Montajı 23 3.5 Jant Kapakları 24 3.5.1 İç Taraf Jant Kapağı 24 3.5.2. Dış Taraf Jant Kapağı 26 3.6. Jant Çemberi 27

4.Bölüm

4.1 Öz geçmiş 31 4.2 Kaynakça 32

4

Özet

Tezin birinci kısmında, yeni nesil elektrik makineleri, zaman içinde gelişimi ve farklı mekanik

ve elektriksel yapılarını içermektedir.

Tezin ikinci kısmında ise Avustralya’da stator, rotor, indüktörleri üretilen ve SAİTEM

(Sakarya Üniversitesi İleri Teknolojiler Uygulama Topluluğu) tarafından dış kılıfı tasarlanan

Hub motor teknik özellikleri ile açıklanmıştır.

Tezin üçüncü kısmında ise ekibin ürettiği motor parçalarına yer verilmiş mekanik

analizlerine göre nasıl bir algoritma ile birleştirildiği anlatılmıştır

5

Teşekkürler

SAİTEM (Sakarya Üniversitesi İleri Teknolojiler Uygulama Topluluğu) Başkanlığı

yaptığım iki yıl boyunca bana katlanan aileme ve birçok zorluk karşısında hiç

yılmadan çalışan , Shell Eco Maraton da büyük bir başarı elde eden ve gelecekte

daha çok başarılar altına imza atacak olan bütün ekip arkadaşlarımın karşısında

saygı ile eğiliyorum.

Zafer,'Zafer benimdir' diyebilenindir. Başarı ise, 'Başaracağım' diye

başlayarak sonunda 'Başardım' diyebilenindir.

6

Şekiller Listesi

Bölüm 1

Şekil 1.1 disk rotor ile electro-magnetik motor N.teslanın patenti No. 405 858, 1889 [225]. Şekil 1.2 printed rotor windingli 8 kutuplu d.c. commutator motor AFPM Şekil1.3 d.c. motorun ürettiği akım ve a.c. motorun ürettiği akım Şekil1.4 afpm makinelerinin ana topolojileri Şekil 1.5 çıkıntılı kutup statorlu ve ikiz harici rotorlu çift taraflı fırçasız afpm Şekil1.6. Çift taraflı 3faz fırçasız AFPM makine Şekil 1.7. 4 sabit mıknatıslı ve 3 çekirdeksiz stator içeren çekirdeksiz multidisk afpm makine Şekil1.8. RFPM makine ve AFPM makine Topolojileri

Bölüm 2

Şekil 2.1 Sahimo Hidrojen arabası ve Aurora Güneş Arabası Şekil 2.2 Csiro Hub motor için kesit resmi Şekil2.3 Halbach tasarımı ile mıknatısların yönlendirilmesi Şekil 2.4 kutup sayısı seçimi Şekil2.5 hava aralığı mesafesi Şekil 2.6 Sahimo(Sakarya Üniversitesi hidrojen arabası)’nın elektrik şeması Şekil2.7 Yakıt pili verim grafiği Şekil2.8 Yakıt pili gerilim-akım-güç grafiği Şekil 2.9 Dört çevrim için motor stator bağlantıları ve ona göre indüktör bağlantıları Şekil 2.10 iki çevrim için motor stator ve ona bağlı olarak indüktör bağlantıları Şekil 2.11 Rotor pozisyon sensörü sinyalleri Şekil 2.12 Faz sensörüne göre dalga formları

7

Bölüm 3

Şekil 3.1: Statorun katı modeli Şekil3.2 Rotorun katı modeli Şekil 3.3: Rotor&Stator montaj Şartları Şekil 3.4 Motor aksının Katı Modeli Şekil3.5 Motor Aksı Şekil 3.5 Stator flanşı üretim resmi Şekil 3.6 Sensörün yerleşim Şekil 3.7 Statorun Aksa sabitlenmesi Şekil 3.8 İç taraf jant kapağında statorların bağlanma yüzeyi ve kaburga yerleşimi Şekil 3.9 İç taraf jant kapağının dış yüzü. Şekil 3.10 Dış taraf jant kapağında statorların bağlanma yüzeyi ve kaburga yerleşimi Şekil 3.11 Dış taraf jant kapağında rulman yatağı için oluşturulan koniklik. Şekil 3.12 İç taraf jant kapağında Rotor ve rulman yerleşimi Şekil 3.13 Jant karakteristiği ölçüleri Şekil 3.14 Jant çemberi ve kapak oturma yüzeyleri ile cıvata delikleri. Şekil 3.15 Jant kapaklarının çembere montajı. Şekil 3.16 Motor Montaj Şekil 3.17 Motor montaj kesit resmi.

8

Bölüm 1

1.1 Özellikler

Afpm (axial flux permanent magnet) makineleri disk tipi makineler olarak da

bilinirler, Afpm makineleri, rfpm (radial flux permanent magnet) makinelerine şekil

ve güç yoğunluğu bakımından alternatiflerdir. Afpm makileri elektrikli araçlar,

pompalar, fanlar, santifurujlar, robotlar ve birçok endüstriyel donanım için çok

uygunlardır. Büyük yarıçaplı rotoru yüksek momentli bir eylemsizlik kuvveti

sağladığı için volan olarak etkisi de yapar. afpm ler aynı zamanda küçük veya orta

boylu jeneratör olarak da kullanılırlar. Çok sayıda kutuplu olabilirler, bu tür

makineler rüzgâr türbinleri, elektromekanik çekici, asansör gibi düşük hızlı

uygulamalar için idealdir.

Eşsiz disk tipi rotor ve statoru farklı kullanımlarda ve değişken tasarımlara olanak sağlar. Afpm ler tek hava aralıklı veya birden çok hava aralıklı olarak tasarlanabilirler. Düşük güçlü afpm makineler genelde slotsuz sarımlı ve yüzeysel kalıcı mıknatıslar ile tasarlanırlar.

Afpm çıkış gücü, rotor ve shaft ile etkileşim alanı arasındaki oran ile beraber artar veya azalır.

9

Tablo 1.1 E.Bautz GmbH,Weiterstadt tarafından üretilen çift taraflı disk tipi AFPM fırçasız servo motorların özellikleri ve zaman içinde gelişimi

Disk tipi makinelerde rotor ve mil arasındaki mekanik bağlantı çok iyi tasarlanmalıdır birçok sorunlar bu kısımlarda meydana gelmektedirler.

Bazı durumlarda parça sayısını, hacmi, güç aktarımını ve birleştirme zamanını optimize etmek için rotor aktarma organları ile gömülü üretilirler. Elektrikli araçlar için elektromekanik sürüş sistemini, yüksek verim ve düşük fiyat için teker motorlar en uygun şekildir.

Birçok uygulamada afpm ler fırçasız motor olarak kullanılırlar. endoder, decoder ve rotor pozisyon sensörleri bu tür motorların kontrolü için en önemli parçalarıdı

10

1.2 AFPM Makinelerinin Gelişimi

Elektrik makinelerinin tarihi axial flux makineler ile başlar(M.Faraday,1831,sabit mıknatıs ile)buna rağmen T.Davenport ilk döner alanlı motorun patentini alarak geleneksel makineler çok daha fazla yaygın olarak kullanılmaya başlamışlardır.

Çalışan ilk ilkel axial flux makine M.Faraday’ın diskidir(1831)-resim.1 e bakınız. Bu disk yapısı konstrüksiyonu N.Tesla tarafından No.405 858[225] Electro-Magnetic Motor olark patentlenmiş ve 1889 yılında yayınlanmıştır(Resim1.1)Axial flux motorların ilk zamanlarda kullanılmayışının ve sebepleri;

Stator ve rotor arasında yüksek güçte magnetik çekim olması Lamine edilmiş slotlardaki kesim sorunu ve slotlu stator üretimindeki

fabrikasyon sorunları Lamine edilmiş statorda yüksek maliyetli üretim Motorun birleştirilmesindeki sorunlar ve sabit hava aralığı

İlk sabit mıknatıslı uygulamalar 1830lu yıllarda düşük kalitedeki manyetik malzemeler ile denenmiştir. Alcino’nun 1931 yılında bulunması, barium ferritelerin 1950lerde bulunması ve özelikle nadir toprak elementleri olan neodymium-iron-boron(NdFeB) (1983 de yayınlanmıştır) ‘un bulunmasıyla zaman içinde sabit mıknatıslı uygulamalar yer almaya başlamıştır. Sabit mıknatısların yüksek enerji yoğunluğu (özellikle nadir bulunan mıknatısların) sabit mıknatıslı makinelerin yeniden geri dönmesini sağlamıştır.20. yüzyılın son 10 yılında nadir bulunan toprak malzemelerinin fiyatlarında düşen bir eğri vardır özellikle son 3 yılda sert bir fiyat düşüşü olmuştur. Uzak doğuda NdFeB sabit mıknatıslarının kg fiyatı 20$ civarlarında seyretmektedir. Çok daha etkili sabit mıknatıslar ile yakın gelecekte afpm ler çok daha önemli roller oynayacaklardır.

11

Şekil 1.1 disk rotor ile electro-magnetik motor N.teslanın patenti No. 405 858, 1889 [225].

12

1.3 AFPM Makinelerinin Çeşitleri Teorik olarak döner manyetik akılı her motor türünün eksenel akılı motor türüne karşılığı olmalıdır. Pratikte ise aşağıdaki 3 yapı ile sınırlanmışlardır; Sabit Mıknatıslı commutatör makineleri Sabit Mıknatıslı fırçasız d.c. ve senkron makineler İndüksiyon makineleri

Döner alanlı makinelerin afpm karşılığı olan d.c. commutatör makinelerinde sabit mıknatıslar elektro manyetik uyarma oluşturmak için kullanılırlar. Rotor, wound rotor veya printed winding rotor olarak tasarlanabilir.

Şekil 1.2 printed rotor windingli 8 kutuplu d.c. commutator motor AFPM : (a)sabit mıknatıslı stator, (b)kesit görünüşü, (c)rotor sargıları ve fırçalar,

(d)145 çubuklu 2p=8 kutuplu sargılar. 1-çift taraftan basılı rotor sargısı,2-sabit mıknatıslar,3-fırçalar

Rotordaki endüvi sargıları bakır tellerden yapılır ve reçine ile kaplanırlar. komutatör geleneksel yapıdadır, silindirik yapıda veya radyal yapıda olabilirler. Disk tipi baskılı endüvili motor şekil 1.2. de gösterilmiştir. Rotor ferromagnetik bir çekirdek içermemektedir ve sargılarda geleneksel makinelerdeki sargılar gibidir. Sarımlar parça bakırın sıkıştırılarak şekillendirilmesi ve sonra kaynatılması ile yapılır. Bu motor J.Henry Baudot tarafından bulunduğunda, endüvi üretimi pcb kartların yapımına benzer bir şekilde üretildiği için baskı sargılı motor(printed winding motor) olarak bilinirler.

13

AFPM d.c. komütatörlü makineler ekonomik oldukları için sanayide otomotivde ve fan gibi evlerde kullanılan makinelerde, küçük elektrikli araçlar gibi çok yönlü uygulamalarda kullanılmaktadırlar. Pratik olarak d.c. fırçasız ve a.c senkron motor hemen hemen aynı yapıya sahiplerdir fakat teori ve kullanım şartları farklıdırlar. En önemli fark ise akımlarının dalga formlarıdır D.c. fırçasız motorlar ikizkenar yamuk dalga şeklinde EMF üretirler

ve dikdörtgen dalgalı akım ile çalıştırılırlar

Şekil1.3 (a) d.c. motorun ürettiği akım (b)a.c. motorun ürettiği akım

A.c. senkron motorlar sinüs dalga şeklinde EMF üretirler ve sinüs dalgalı akım ile çalışırlar İndüksiyon motorları için lamine edilmiş kafes şeklinde rotor üretimi zordur. Eğer kafes sargıları bakır katmana sarılmış manyetik olmayan yüksek iletimli bir malzeme (Cu veya Al) disk veya çelik çubuklar ile yer değiştirirse makine performansı şiddetli bir düşüş olacaktır. Zaten şimdiye kadar da indüksiyon makinelerine çok az ilgi olmuştur.

1.4 Makine Geometrisi ve Topolojileri Fırçasız Afpm ler yapı olarak tek taraflı veya çift taraflı, endüvisi yuvalı veya yuvasız, endüvi çekirdekli veya çekirdeksiz, harici veya dâhili sabit mıknatıslı, yüzey monteli veya içine gömülü olan sabit mıknatıslı ve tek diskli veya çok diskli olmak üzere birçok şekilde üretilebilirler.

14

Çift taraflı motor tiplerinde harici stator veya harici rotor yapıları kabul edilebilir. İlk olarak seçimde en az şekilde sabit mıknatıs kullanmak olacaktır. Sınıflandırılmış bazı fırçasız afpm topolojileri vardır; Tek taraflı AFPM makineleri • Dâhili statorlu (Resim 1.4b)

o Statoru slotlu o Statoru slotsuz

Demir çekirdekli stator Çekirdeksiz stator (Resim 1.4d) Stator çekirdeksiz ve bütün rotorsuz

Şekil1.4 afpm makinelerinin ana topolojileri (a)tek taraflı slotlu makine, (b)dâhili statorlu ve ikiz sabit mıknatıslı rotor çift taraflı slotsuz makine, (c)dâhili sabit mıknatıslı rotor ve statoru slotlu çift taraflı makine, (d) dâhili statorlu çift taraflı çekirdeksiz motor. 1-stator çekirdeği, 2-stator sargısı, 3-rotor, 4-sabit mıknatıs, 5-çerçeve, 6-rulman, 7-mil

15

o Çıkıntılı kutuplu stator (resim1.5) • Dâhili rotorlu(Resim1.4c)

o Statoru slotlu o Statoru slotsuz o Çıkıntılı kutuplu stator(resim 1.6)

Multi diskli afpm makineler (Resim1.7)

Şekil 1.5 çıkıntılı kutup statorlu ve ikiz harici rotorlu çift taraflı fırçasız afpm (a)yapı, (b) stator, (c)rotor. 1-sabit mıknatıs 2-stator destek çelik diski,3-stator kutbu,4-stator sargısı Slotlu endüviye sahip afpm makinelerde hava aralığı oldukça küçüktür. relüktansdaki artmaya karşılık, her açık slot altında ana manyetik akı yoğunluğu hava aralığında azalır. Çift taraflı çıkıntılı kutuplu fırçasız afpm makinelerde(şekil1.5) stator sargıları lamine edilmiş kutuplarda üzerine sıkıştırılarak sarılmışlardır. Üç faz motor elde etmek için stator kutup sayısı rotor kutup sayısından farklı olmalıdır şekil1.6 da 12 stator kutbu ve 8 rotor kutuplu çift taraflı harici çıkıntılı stator kutuplu ve dâhili sabit mıknatıslı afpm makinesi gösterilmektedir.3 faz afpm için 9 stator sargısı ve 8 rotor kutbu vardır.

16

Şekil1.6. Çift taraflı 3faz fırçasız AFPM makine, 9 harici sargılı stator ve 8 kutuplu dâhili rotor.1-Sabit mıknatıs,2-ferromanyetik kapaklı stator diski,3-stator kutbu,4-stator sargısı Kulanım alanı ve şartlarına göre, statoru slotsuz olanlar ferromagnetik çekirdekli veya tamamen çekirdeksiz olabilirler. Çekirdeksiz stator yapıları stator endüvsindeki ferromanyetik malzeme kullanımını gerek bıraktırmaz ve bu eddy akımları ve histerisiz kayıplarını aza indirir. Aynı zamanda bu tür yapılar motorlarda 0 geçiş noktasında(zero-current state) stator ve rotor arasındaki eksenel manyetik çekilim güçlerini yok eder. Slotsuz afpm ler genel olarak sargı yapılarına ve bobin şekillerine göre sınıflandırılırlar, yani, halka, ikizkenar yamuk şeklinde, paralel kenarlı olarak.

Şekil 1.7. 4 sabit mıknatıslı ve 3 çekirdeksiz stator içeren çekirdeksiz multidisk afpm makine 1-stator sargısı,2- 4 sabit mıknatıslı rotor ünitesi,3-çerçeve,4-rulman,5-mil

17

1.5Afpm ve Rfpm Makinelerin Karşılaştırılması Yeni malzemelerin uygulamalardaki gelişimi, üretim tekniklerindeki yenilikler ve soğutma tekniklerindeki gelişmeler elektrik makinelerinin güç yoğunluğunu (kütleye veya hacme düşen güç yoğunluğu) arttırmasına imkân vermiştir. Asıl kısıtlama geleneksel döner alanlı makinelerde vardır çünkü İndüksiyon durumunda rotor dişlerindeki köklerdeki akı yolunun dar bir

alanda olması Rotor çekirdeği şaft çevresinde olması manyetik devre oluşumunu

zorlaştırmakladır. Stator sargılarındaki ısı stator çekirdeğine oradan da dış nüveye gelmektedir,

stator hava aralığında, rotor ve mildeki ısı transferini harici soğutma olmadan sistem için çok güçsüz kalmaktadır.

Bu sınırlamalar döner alanlı yapılar için kısıtlama getirmişlerdir ve yeni topolojiler kabul edilmediği sürece kolay, kolay kaldırılamazlar. Afpm makinelerinin rfpm makinelere göre daha yüksek güç yoğunluğuna sahip olduğu anlaşılmıştır aynı zamanda daha az yer kaplamaktadırlar.

Şekil1.8. (a) RFPM makine (b) AFPM makine Topolojileri.

18

Bölüm 2

2.1 Csiro Hub Motor

Tekerlek motor, World Solar Challange için 1996 yılında Aurora güneş arabasına

uygun olarak Darwin’den Adelaide 3010 km gitmesi için tasarlandı. Fırçasız dc

motorlar diğer motorlara göre çok daha yüksek verimli (%97,5 )ve hafifti(8.3kg) ,

motor aktarma organlarının olmaması, çıkış gücünde değişme olmamasını

sağlamaktadır. Bu nitelikler nadir bulunan toprak elementler ile sağlanmış

malzemeler ile yüksek akı yoğunluğu ve bilgisayar destekli eksenel akı yapısına

uygun kontrol ile sağlanmıştır.

Direk aktarımlı teker motorlar ilk defa World solar challenge da 1993 de 3 takım tarafından kullanılmıştır; Homda, Biel mühendislik koleji ve Northern Territory Üniversitesi

(a)

(b)

Şekil2.1 (a) Sahimo Hidrojen arabası (b)Aurora Güneş Arabası

19

2.2 Özellikler

Surface

Özellikleri

Kutup Sayısı 40

Faz Sayısı 3

Yaklaşık ağırlığı (kg) 10.9

Nominal Hızı (rad/s)1 111

Nominal tork (Nm)2 16.2

111 rad/s de maximum torku(Nm)-- 31

İki taraftaki Manyetik aralık(mm) 2

Faz Direnci (Ω) 0.0757

EMF sabiti– L-N RMS EMF/speed (Vs/rad) 0.39

Her faz için tork sabiti (Nm/A) 0.39

Nominal durum

L-N RMS EMF (V)3 43

RMS faz akımı (A)4 13.9

Bakır kayıpları (W) 43.9

Eddy akımı kayıpları (W) 2.6

Hava sürtünmesi (W) 2.1

Toplam kayıplar (W) 48.6

Çıkış gücü (W) 1800

Verim (%) 97.4

Maksimum durum

Maksimum sargı sıcaklığı (K) 383

Maksimum hız (rad/s) 300

Maksimum tork (Nm) 50.2

3 × 100 µH İndüktör 5

1. 111 rad/s ≈ 1060 rpm.

2. 16.2 Nm ≈ 11.9 lb ft ≈ 2294 oz in.

20

3. EMF sinudial.

4. Sinosidal akımı ve rotor pozisyonuna senkron lanmış

5. Motor indüktansı çok küçük olduğu için birçok motor sürücü ek seri indüktans ihtiyacı duyuyor(her faz için bir seri indüktans)

Direk aktarma yapmak dişli, triger kayış veya zincir gibi aktarma organlarının kayıplarını yok eder. Motor teker içine gömülmek için tasarlandığı için en yüksek verim için aerodinamik kayıpları da yok edecektir. Motorun toplan kayıpları 56Wattdan daha düşüktür. Makine geometrisinde az kayıp için sabit mıknatıs halkaları resim 2 de kesit resmi. Geometri için birçok seçenek göz önüne alınabilir. Eksenel akı, demir kayıpsız hava aralığı sargıları,

2.2.1Eksenel akı seçilmesinin sebepler;

• Döner manyetik alan sargı tasarımında yetersiz eksenel mesafe • İki sabit mıknatıs çemberinin teker duvarlarını yerleştirilebilmesi • Stator sargıları mil aksının merkezine yerleştirilebilmesi • Sargı ve manyetik çemberin düz bir şekilde üretilebilir olması

Şekil 2.2 Csiro Hub motor için kesit resmi

21

2.2.2 Çekirdeksiz stator seçilmesinin sebepleri; • Amorf yapılı metaller ile benzer performansa sahip olması • Verilen hava aralığı için minimum kütle • Montaj sırasında statorda kuvvet oluşmaması • Amorf metal in tavlanması ve montajının zor olması • Termal performansının elverişli olması

2.2.3 Mıknatıs düzeni En iyi manyetik akı yoğunluğunu oluşturmak için en iyi yöntem hallbach tasarımıdır. Kutupların her birinin mıknatıslanmasının yönlendirilmesi oluşan yöntemdir. Csiro motorda 4 kutup için bu tasarım kullanılmıştır. Olması gereken en optimize manyetik yönlendirilmesi eksenel yönde 30 ve 60 derece olarak seçilmiştir.Şekil2.3 Halbach tasarımı ile mıknatıs düzenlemesi ile ortalama mıknatıslardaki kayıplar %20 daha az hesaplanmıştır. 2.2.4 Verim kayıplarının kaynakları Bu tasarımda ki kayıplar aşağıdakilerdir

• Bakır kayıpları • Sargılardaki eddy akım kayıpları • Hava sürtünmesi kayıpları • Rulman kayıpları

Şekil2.3 Halbach tasarımı ile mıknatısların yönlendirilmesi

22

Sargılardaki bakır kayıpları en baskın kayıplardır. Eddy akım kayıpları sargıların sadece aktif taraflarında olduğu düşünülmüştür. Eddy akım kayıplarını azaltmak için Litz kablosu kullanılmıştır. Rulman kayıpları ise iyi bir tasarımda ihmal bile edilebilecek kadar küçüktürler.

2.2.5 Kutup sayısının seçimi;

Makine tasarımı için ortalama olarak 30 ile 60 arasında bir sayı düşünülmüştür. optimizasyon sonuçları şekil 2.4 de verilmiştir.40 kutuplu olması ve maksimum elektriksel frekansı 460hz olması en uygun görülmüştür.

Şekil 2.4 kutup sayısı seçimi

2.2.6 Hava aralığı mesafesinin etkisi Hava aralığı mesafesinin etkisi şekil 2.5 de verilmiştir. Her iki yandan da en fazla 2.0mm aralık verilmesi mekanik olarak da olabilecek en fazla mesafedir.

Şekil 2.5 hava aralığı mesafesi

23

2.3 Elektrikli Araçta Motorun Kullanımı Şekil2.6 gözüktüğü gibi güç hattı yakıt pili, motor sürücü ve motor olarak gitmektedir. Yakıt pili verimi(şekil 2.7) ve akım-gerilim(şekil 2.8) şekilde gösterilmiştir. Yakıt pilinden motor sürücüye gelen güç aktarımı motor sürücü tarafından düzenlendikten sonra motora geçmektedir.

Şekil 2.6 Sahimo(Sakarya Üniversitesi hidrojen arabası)’nın elektrik şeması

Motor fazlarına motor indüktansı çok küçük olduğu için seri indüktanslar eklenmiştir. Motordan sürücüye geri besleme olarak rotor pozisyon verileri ve stator içine gömülmüş sıcaklık verisidir.

Şekil2.7 Yakıt pili verim grafiği

24

Şekil2.8 Yakıt pili gerilim-akım-güç grafiği

2.3.1Dört çevrimli Birçok ekip 4 çevrimli faz yapısını kullanmıştır. Statordan gelen 12 kablo vardır. Bunlardan 3 tanesi motor dışına çıkacak ve sürücüye bağlanacaktırlar diğer parçalar ise aralarında seri olarak birleşeceklerdir. Ve yıldız noktası motor içinde olacaktır. Aynı şekilde indüktör çıkışlarında aralarında seri olarak birleşecektir şekil 2.9 da gösterildiği gibi.

Şekil 2.9 Dört çevrim için motor stator bağlantıları ve ona göre indüktör

bağlantıları

24 14 4

23 13 3

22 2 12

11 21 1

Motor

4

2

3

1

Inductor X 3

25

2.3.2 İki çevrimli Bazı takımlar faz başına düşen gerilimi azaltmak için ikili çevrimi seçmişlerdir fakat buda akımı arttırmaktadır. Statordan gelen 12 kablodan 6 sı arasında birleştirilir ve motor yıldız noktası burası olur. İndüktörden gelen kablolarda aralarında paralel yapılırlar ve bu şekilde birbirlerine seri olarak bağlanırlar.

Şekil 2.10 iki çevrim için motor stator ve ona bağlı olarak indüktör

bağlantıları

2.4 Motor Sürücü Genelde sürücüler minimum pwm de yüksek verimde çalışırlar. Bundan dolayı çalışma hızı ile batarya gerilimi yaklaşık seçilmesi gerekir 2.4.1 Motor sürücü için gerekli bilgiler

a).Motor üç fazlıdır b)Motora uygulanan voltaj rotor pozisyonuna eşzaman bir şekilde düzenlenmelidir

c)Pozisyon bilgileri 3 sensor tarafından sağlanmaktadır motor sürücü bu bilgileri 5-15V şekilde alacak şekilde tasarlanmalıdır

d)Termistör den gelen bilgiye göre motor sıcaklığı 383 K (110°C)’e geçince devreyi kesmelidir

e)Uygulanan gerilim maksimum hız için uygun olmalıdır f)Uygulanan akım maksimum tork için uygun olmalıdır

g)Uygulanan voltajın temel frekansı maksimum hıza uygun olmalıdır. h)Motor sürücü akımı, motorun maksimum akımına göre sınırlandırılmalıdır

22 12 4

21 11 3

24 2 14

13 23 1

Motor

4 2

3 1

Inductor X 3

26

2.4.2 Rotor Pozisyon Sensörü Manyetik sensorların çıkışları dijitaldir, eğer manyetik alan bir yönde sensordan geçerse, sensor çıkışı 0V olacaktır eğer terse yönde geçerse 5V olacaktır. Motor mıknatısında 40 kutup vardır. Bunlardan 20 mıknatıs kuzey 20 mıknatıs da güney yönlüdür bundan dolayı sinyal 20 kere 5V de 0 V verisi verecektir. Elektrik sinyali 360/20 = 18° de bir tekrarlayacaktır kendini. Şekil2.11 de motorun dönderilmesi ile ideal olan sensör veri çıkışı verilmiştir.

Hall A

Hall B

Hall C

Şekil 2.11 Rotor pozisyon sensörü sinyalleri

Rotor pozisyonundan alınan verilere göre motor fazlarına gerekli tetikleme yapılır. Şekil 2.12 da hall sensöründen gelen verilere göre fazlara yapılan tetikleme gösterilmiştir.

Şekil 2.12 Faz sensörüne göre dalga formları

27

Bölüm 3

3.1 Stator

Stator, motorda gerekli olan kuvvet için elektrik alan oluşturmak için çeşitli şekillerde

sarılmış bakır demetleridir. Fakat bu motorda elektrik alan mıknatıs çiftinin arasında kalan

disk şeklinde sarılmış özel iletken teller, kalıp içinde epoksi malzemeyle kaplanmış bicimde

bulunur.

Şekil 3.1: Statorun katı modeli

3.2 Rotor

Normal motor tasarımlarında rotor sabit stator dönüyorken bu tasarımımda bunu tersine

yapıp statorları dön derilecektir. Bu yuksek verimli motorda kullanılacak olan rotor üzerinde

dörtlü modüller halinde toplamda 40 tane mıknatıs radyal olarak çelik disk üzerine

yapıştırılmış iki tane karşılıklı olarak statoru arasına almış durumdadır.Bu tasarımda rotorlar

20 şer tane M4 cıvata ile jant kapaklarına bağlanacaktır.

Şekil3.2 Rotorun katı modeli

28

3.2.1 Rotor ve Statorun Montaj Şartları

Yapılan elektrik alan-Verim hesaplarında motor statorları arası 10.9 mm boşluk olması

istenmekte ve motor montajı buna göre şekillendirilmesi istenmektedir

Şekil 3.3: Rotor&Stator montaj Şartları

3.3. Motor Aksı

Motor aksı sabit olup görevi statora ve jant kapaklarının rulmanlarına yataklık yapmak aynı

zamanda motoru araç gövdesine bağlamaktır. Statoru aksa sabitlemek için 2 tane alüminyum

disk kullanılmıştır.

Şekil 3.4 Motor aksının Katı Modeli

29

Şekil3.5 Motor Aksı

30

3.4. Stator Flanşları

Stator flanşları statoru motor aksına sabitlemek için kullanılan parçalardır. Ayrıca bu

flanşlardan biri rotor ve stator arasında manyetik alan ve hızı ölçerek motor sürücüsüne

gönderen sensöre yataklık yapmaktadır.

Şekil 3.5 Stator flanşı üretim resmi

3.4.1. Motor Sabit Kısmının Montajı

Motorda Sabit kalacak kısım Stator ve sabit aks idi. Statoru aksa sabitlemek için karşılıklı 2

tane flanş tasarlandı. Bunlardan biri alüminyum (5060) idi. Diğer parçanın malzemesi ise

üzerinde elektrik tesisatı bulunacağı için yalıtkanlık sağlamak amacıyla sanayi tipi polimer

olan kestamid seçildi.

Şekil 3.6 Sensörün yerleşim

31

Flanşlar aks üzerindeki flanş karşılığına 4 adet M6 cıvata ile bağlanıyor. Aynı zamanda

flanşlar 8 adet M8 cıvata ile statoru sabitlemektedir. Ayrıca elektrik akım ve sensör sinyal

kabloları içi boşaltılmış olan akstan geçerek dış taraftaki rulman yatağından önce dışarıya

çıkarak statora ulaşmaktadır.

Şekil 3.7 Statorun Aksa sabitlenmesi

3.5 Jant Kapakları

Motor Statoruna giden kablolar nedeniyle motorun dış tarafında kabloların geçmesi için

boşluğa ihtiyaç duyulmaktaydı. Bunu karşılamak için rotorların bağlanacağı jant kapakları

simetrik olarak tasarlanmadı, dış taraftaki jant kapağının rulman yatağı statordan uzak olarak

tasarlandı.

3.5.1 İç Taraf Jant Kapağı

Jant kapağına rotor 20 adet M4 cıvata ile bağlanıyor. Jant kapağının ise aksa rulmanlar ile

bağlanması, aynı zamanda Jant çemberine 10 adet M6 cıvata ile bağlantısı tasarlandı.

Motorun montajı gerçekleştiği anda yapılan manyetik hesaplarda 504 kgf’lik kuvvet ile

rotorların birbirlerini çekeceği hesaplanmıştı. Jant kapaklarının bu kuvvete dayanması ve

hafif olması için jant kapağı kaburgalı olarak tasarlandı ve kaburgaların cıvata deliklerinin

bulunduğu doğrultuya yerleştirildi.

32

Şekil 3.8 İç taraf jant kapağında statorların bağlanma yüzeyi ve kaburga yerleşimi

Şekil 3.9 İç taraf jant kapağının dış yüzü.

33

3.5.2. Dış Taraf Jant Kapağı

Dış taraf jant kapağı kablo boşluğundan dolayı rulman yatağı daha dışarıda olacak şekilde

kaburgalar dışarıya doğru koniklik oluşturacak şekilde tasarlandı.

Şekil 3.10 Dış taraf jant kapağında statorların bağlanma yüzeyi ve kaburga yerleşimi

Şekil 3.11 Dış taraf jant kapağında rulman yatağı için oluşturulan koniklik.

34

Şekil 3.12 İç taraf jant kapağında Rotor ve rulman yerleşimi.

3.6. Jant Çemberi

Jant çemberi araçta kullanılacak lastiğin jant karakteristiğine uygun şekilde geometrik

tasarımı yapılarak bu çembere jant kapaklarının cıvatalar vasıtasıyla bağlanması için oturma

yüzeyi cıvata delikleri açılacak şekilde tasarlandı.

Jant için Michelin firmasının Elektrikli araçlar için ürettiği özel yüksek verimli tekerlek için

uygun gördüğü jant karakteristiği kullanıldı.

35

RIM Contour

DIMENSIONS (mm)

A B G P H L Q R1 R2 ßβ D

min max ±0,6 min. min. min. max. min. max. min.

3.00 B 76 ±1 10 13 14,1 13 15 16 28 7,5 4,5 10° 405,6

3,50 B 89 ±1 10 13 14,1 15 15 19 34 7,5 4,5 13° 405,6

Şekil 3.13 Jant karakteristiği ölçüleri

Şekil 3.14 Jant çemberi ve kapak oturma yüzeyleri ile cıvata delikleri.

36

Şekil 3.15 Jant kapaklarının çembere montajı.

Şekil 3.16 Motor Montaj

37

Şekil 3.17 Motor montaj kesit resmi.

38

Bölüm 4

4.1 Özgeçmiş

1985 yılında Elbistan da doğdu, ilköğretimini ilk 3 yılını Elbistan Doğan köy ilkokulunda

son 2 yılını ise Milas Menteşe İlkokulunda, orta öğretimini Milas Merkez Ortaokulunda,

liseyi ise Milas Anadolu lisesinde tamamladı.2003 yılında Sakarya Üniversitesi Elektrik

Elektronik Mühendisliği Bölümü’ne girdi.2005 yılında SAİTEM (Sakarya Üniversitesi İleri

Teknolojiler Uygulama Topluluğu) ekibinde teknik ekip üyesi olarak çalıştı.

2006 dan 2008 yılına kadar da SAİTEM Başkanlığı yaptı ve 2008 SHELL-Eco Marathon

Fransa alternatif enerjili araçlar Urban klasmanında takım olarak 3.elde etti.

39

4.2 Kaynakça

1. Axial Flux Permanent Magnet Brushless Machines, JACEK F. GIERAS,RONG-JIE WANG and MAARTEN J. KAMPER 2. DESIGN AND DEVELOPMENT OF A HIGH-SPEED AXIAL-FLUX PERMANENT-MAGNET MACHINE, Funda Sahin 3. CSIRO Solar Car Surface Magnet Motor Kit Notes, Dr. Stephen Collocott CSIRO Industrial Physics 4. Design of an ın-wheel motor for a solar-powered electric vehicle, H.C. Lovatt, V.S. Ramsden and B.C. Mecrow 5.Axial Flux Permanent Magnet Disc Machines, Aydin, M., S. Huang*, T.A. Lipo**

6. OPTIMAL DESIGN AND CONTROL OF AXIAL-FLUX BRUSHLESS DC WHEEL MOTOR FOR ELECTRICAL VEHICLES, Y.P. Yang*, C.H. Cheung, S.W. Wu, J .P Wang