Alan sargılı senkron motor tasarımı ve elektrikli araçlarda kullanımının kalıcı mıknatıslı bir senkron motorla karşılaştırmalı analizi
Design of a wound field synchronous motor and comparative analysis of use in electric vehicles with a permanent magnet synchronous motor
- Tez No: 971497
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SİBEL ZORLU PARTAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Kalıcı mıknatıslı senkron motorlar, yüksek güç ve moment yoğunlukları, yüksek verimleri, sessiz çalışmaları, az bakım gerektirmeleri, düşük hacim ve düşük kütleye sahip olmaları gibi avantajları nedeniyle elektrikli araçlarda yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Ancak bu motorlar; yüksek maliyet, özellikle kalıcı mıknatıslarda yaşanan tedarik kısıtları ve çevresel problemler gibi dezavantajlara sahiptirler. Bu çalışmada bu sebeple, kalıcı mıknatıslı senkron motorlara alternatif olarak, alan sargıları endüktif veya kapasitif kuplaj yöntemleriyle mekanik temas olmaksızın uyarılabilen alan sargılı bir senkron motor tasarlanmıştır. Bu amaçla, ilk olarak 80 kW çıkış gücüne, 280 Nm maksimum momente ve 2100 d/d nominal hıza sahip, 48 oluklu ve 8 kutuplu gömülü mıknatıslı bir senkron motor referans olarak alınmış ve elektromanyetik analizleri ANSYS Maxwell yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ardından, referans motorun statoru sabit tutulmuş ve kalıcı mıknatıslı rotor yerine alan sargılı bir rotor tasarlanmıştır. Bu tasarlanan motorun da ANSYS Maxwell'de analizleri yapılmış ve elde edilen sonuçlar, kalıcı mıknatıslı senkron motorun analiz sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırmada özellikle; verim, moment, maliyet, kütle, malzeme, güç ve moment yoğunlukları gibi kriterler dikkate alınmış ve elde edilen sonuçlar tablo ve grafiklerle verilerek, detaylı değerlendirmesi yapılmıştır. Analiz sonuçlarına göre, alan sargılı senkron motor, faz akımı sınırları dahilinde, referans alınan kalıcı mıknatıslı motor ile aynı maksimum moment değerine ulaşabilmiştir. Ayrıca referans motorda yaklaşık %10.26 olan moment dalgalanması, ASSM'de %1.2 değerine kadar düşürülmüştür. Her iki motorun verim haritaları karşılaştırıldığında, 0–300 d/d gibi düşük hız aralığında referans motorun veriminin nispeten daha yüksek olduğu, ancak hız arttıkça ASSM'nin daha yüksek verim değerlerine ulaştığı gözlemlenmiştir. Malzeme ve maliyet açısından yapılan karşılaştırmada ise, her iki motorun stator ve rotor kütlelerinin neredeyse eşit olduğu, ancak ASSM'nin toplam malzeme maliyetinin, referans motorun maliyetinin yaklaşık %30–35'ine eşit olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Son olarak iki motorun güç ve moment yoğunlukları hesaplanmış, yapılan hesaplamalar sonucunda, her iki motorun da 375 V DC bara geriliminde 3.04 kW/kg güç yoğunluğuna ve 8.28 Nm/kg moment yoğunluğuna sahip olduğu görülmüştür. Sonuç olarak bu tez çalışmasında, elektrikli araç uygulamalarında sıklıkla kullanılan kalıcı mıknatıslı senkron motorlara alternatif olarak, alan sargılı senkron motor modeli önerilmiş ve bu motorların geliştirilerek, ileride bu alanda yaygın kullanımlarının mümkün olacağı kanaatine varılmıştır.
Özet (Çeviri)
Permanent magnet synchronous motors are widely used in electric vehicles due to their advantages such as high power and torque densities, high efficiency, quiet operation, low maintenance requirements, and compact size and low weight. However, these motors have certain disadvantages such as high cost, supply limitations—particularly related to permanent magnets—and environmental concerns. Therefore, in this study, a wound field synchronous motor has been designed as an alternative to permanent magnet synchronous motors, in which the field windings can be excited without mechanical contact through inductive or capacitive coupling methods. For this purpose, a 48-slot, 8-pole interior permanent magnet synchronous motor with an output power of 80 kW, a maximum torque of 280 Nm, and a nominal speed of 2100 rpm was taken as the reference, and its electromagnetic analyses were carried out using ANSYS Maxwell software. The electromagnetic analyses of the motor were carried out using the ANSYS Maxwell software. Subsequently, the stator of the reference motor was kept unchanged, and a wound field rotor was designed to replace the permanent magnet rotor. The designed motor was also analyzed in ANSYS Maxwell, and the obtained results were compared with those of the interior permanent magnet synchronous motor. In the comparison, particular attention was given to criteria such as efficiency, torque, cost, mass, material usage, power density, and torque density. The results were presented through tables and graphs, followed by a detailed evaluation. According to the analysis results, the wound field synchronous motor was able to reach the same maximum torque value as the reference permanent magnet synchronous motor, within the phase current limits. Additionally, the torque ripple, which is approximately 10.26% in the reference motor, has been reduced to as low as 1.2% in the wound field synchronous motor. When the efficiency maps of both motors were compared, it was observed that the reference motor exhibited relatively higher efficiency in the low-speed range of 0–300 rpm; however, as the speed increased, the wound field synchronous motor achieved higher efficiency values. In the comparison based on material and cost, it was found that the stator and rotor masses of both motors were nearly identical; however, the total material cost of the wound field synchronous motor was approximately 30–35% of that of the reference motor. Finally, the power and torque densities of both motors were calculated, and the results showed that at a 375 V DC bus voltage, both motors exhibited a power density of 3.04 kW/kg and a torque density of 8.28 Nm/kg. As a result, this thesis proposes a wound field synchronous motor as an alternative to the widely used permanent magnet synchronous motors in electric vehicle applications. It is concluded that, with further development, these motors have the potential for widespread use in this field in the future.
Benzer Tezler
- Design and implementation of sensorless vector controlled drive for PMSMs
Sürekli mıknatıslı senkron motorlar için sensörsüz vektör kontrollü sürücü tasarımı ve gerçeklenmesi
BURAK GÖRDÜK
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT YILMAZ
- Hafif e-mobilite uygulamalarında entegre şarj sistemi için yüksek verimli ve güç yoğunluklu çok-fazlı E-motor tasarımı ve geliştirilmesi
Design and development of high efficient and power density multi-phase E-motor for integrated charging system in light e-mobility applications
MUSA BURAK YELEK
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT YILMAZ
- Vektör kontrol yöntemi için deney düzeneği tasarımı, gerçeklemesi ve bu yöntemin üç fazlı elektrik motorlarında performans karşılaştırması
Design and implementation of experiment setup for vector control method and performance comparison of this method in three phase electric motors
MERTCAN ÖZDAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Otomotiv Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. SIDDIK MURAT YEŞİLOĞLU
- Development of salient-pole synchronous machines by using fractional slot concentrated winding technique & additional permanent magnets
Çıkık kutupku senkron makinaların kesirli oluklu konsantre sargı tekniği ve ilave kalıcı mıknatıslar kullanılarak geliştirilmesi
TAYFUN GÜNDOĞDU
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. GÜVEN KÖMÜRGÖZ
- Design of permanent magnet synchronous motor for elevator application
Asansörler için sürekli mıknatıslı senkron motor tasarımı
HOSEIN BAKHTIARZADEH
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. LALE ERGENE