HİBRİD VE ELEKTRİKLİ ARAÇLAR - Abdullah Demir · control. 2 1.Saeed Niku. Introduction to Robotics: Analysis, Control, Applications. 2nd ed. John Wiley & Sons, Inc., ... döner

HİBRİD VE ELEKTRİKLİ ARAÇLAR

«Her ter ih ir vazgeçiştir»

Yrd. Doç. Dr. Abdullah DEMİR

ELEKTRİK MOTORLARI

GENEL HATIRLATMA

What is the difference between an AC motor and a DC motor? / July 29, 2011 | Q&A

While both A.C. and D.C. motors serve the same function of converting electrical energy into mechanical energy, they are powered, constructed and controlled differently. 1 The most basic difference is the power source. A.C. motors are powered from alternating current (A.C.) while D.C. motors are powered from direct current (D.C.), such as batteries, D.C. power supplies or an AC-to-DC power converter. D.C wound field motors are constructed with brushes and a commutator, which add to the maintenance, limit the speed and usually reduce the life expectancy of brushed D.C. motors. A.C. induction motors do not use brushes; they are very rugged and have long life expectancies. The final basic difference is speed control. The speed of a D.C. motor is controlled by varying the armature winding’s current while the speed of an A.C. motor is controlled by varying the frequency, which is commonly done with an adjustable frequency drive control. 2

1.Saeed Niku. Introduction to Robotics: Analysis, Control, Applications. 2nd ed. John Wiley & Sons, Inc., 2011. Page 280 ↩ 2.Robert S. Carrow. Electrician’s technical reference: Variable frequency drives. Delmar Thomson Learning, 2001. Page 45 ↩ Published by Ohio Electric Motors: http://www.ohioelectricmotors.com/what-is-the-difference-between-an-ac-motor-and-a-dc-motor-673#ixzz2ezsrNvI3

http://www.ohioelectricmotors.com/what-is-the-difference-between-an-ac-motor-and-a-dc-motor-673#fn-673-1

http://www.ohioelectricmotors.com/what-is-the-difference-between-an-ac-motor-and-a-dc-motor-673#fn-673-2

http://www.ohioelectricmotors.com/what-is-the-difference-between-an-ac-motor-and-a-dc-motor-673#fnref-673-1

http://www.ohioelectricmotors.com/what-is-the-difference-between-an-ac-motor-and-a-dc-motor-673#fnref-673-2

DOĞRU AKIM

ÖN BİLGİ

Doğru Akım: Zamanla yön“ ve şiddeti değişmeyen akıma doğru akım denir. İngilizce

Direct Current kelimelerinin kısaltılması DC ile gösterilir. DC “reten kaynaklar şu şekilde

sıralanabilir:

Pil: Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dön“şt“ren araçlara pil adı verilir.

Ak“: Kimyasal yolla elektrik enerjisi “reten araçtır. Dinamo: Hareket enerjisini DC elektrik

enerjisine çeviren “nitelerdir. Doğrultmaç devresi: Alternatif akım

elektrik enerjisini DC elektrik enerjisine çeviren devrelerdir.

G“neş pili: G“neş enerjisini DC elektrik

enerjisine çeviren elemanlara g“neş pili

denir.

Doğru akımın yaygın olarak

kullanıldığı alanlar:

• (aberleşme cihazlarında telekom“nikasyonda

• Radyo, teyp, televizyon, gibi

elektronik cihazlarda

• Redresörl“ kaynak

makinelerinde

• Maden arıtma (elektroliz) ve

maden kaplamacılığında

(galvonoteknik )

• Elektrikli taşıtlarda (tren,

tramvay, metro)

• Elektro-mıknatıslarda

• DC elektrik motorlarında

ALTERNATİF AKIM

Alternatif Akımın Tanımı Zaman içerisinde yön“ ve şiddeti belli bir d“zen içerisinde değişen akıma alternatif akım denir.

Alternatif Akımın Elde Edilmesi

Alternatif akım ya da gerilimin elde

edilmesinde alternatör denilen aygıtlar kullanılır. Not: Bilindiği gibi DC akım/gerilim değeri sabittir. Örneğin 1 V DC dediğimizde DC

gerilimin 1 V olduğu anlaşılmaktadır. Fakat AC’de akım/ve gerilim değerleri s“rekli değişmektedir. Bu y“zden AC’yi ifade etmek için çeşitli değerler kullanılmaktadır. Bunlar ani değer, maksimum (tepe) değer, tepeden tepeye değer, ortalama değer ve

etkin değerdir.

Frekans: Frekans, sin“s

sinyalinin bir saniyede

tekrarlanan saykıl sayısıdır. Periyot: Bir saykılın gerçekleşmesi için geçen s“reye periyot denir. Periyot

birimi saniye (s) dir ve T ile gösterilir.

TEMEL BİLGİLER – Alternatif Akım

Sinüs dalgasında alternans

Sinüs dalgasında periyot

ELEKTRİK MOTORLARI

Senkron ve Asenkron Kavramı Alternatif akım makinelerinin

isimlendirilmesi “rettikleri döner manyetik alanın (stator manyetik alanı , döner

mekanik kısım (rotor) ile eş zamanlı oluşu

yada olmayışına göredir. Senkron: Uyumlu Olan, Eş zamanlı olan

Asenkron: Uyumlu Olmayan, Eş zamanlı olmayan

Senkron Makine: Stator manyetik alanı döner kısım devrine eşit olan makine.

Asenkron Makine: Stator manyetik alanı döner kısım devrinden her zaman b“y“k

olan makine.

GÜÇ KONTROL SİSTEMLERİ

Elektrikli araç teknolojileri içerisinde g“ç elektroniği devreleri önemli bir

yer tutmaktadır. MOSFET (metal oxide semiconductor field effect

transistor), IGBT (Insulated gate bipolar transistor), IGCT (Insulated gate

controlled thyristor) ve MCT (mos controlled thyristor) gibi yarı iletken anahtarların geliştirilmesi ile elektrik sistemlerinin kontrol“nde önemli gelişmeler sağlanmıştır. Tahrik sisteminin kontrol“, “retilen AC gerilimin DC’ye çevrilmesi, yakıt pili çıkış geriliminin d“zenlenmesi, ak“ şarjının

uygun yöntemlerle sağlanması vb., klasik g“ç elektroniği devrelerinin çeşitli kontrol yöntemleri kullanılarak kontrol edilmesiyle başarılmaktadır. Elektrikli araçlarda kullanılan g“ç kontrol sistemleri, klasik g“ç elektroniği devrelerinden oluşmaktadır. Bu devreler 4 ana başlık altında incelenebilir;

• Doğrultucular (AC/DC)

• Çeviriciler (DC/DC)

• Eviriciler (DC/AC)

• Kıyıcılar (AC/AC)

AC/AC kıyıcılar, elektrikli araçlarda uygulama alanına sahip olmadığından

bu böl“mde incelenmeyecektir.

"ELEKTRİKLİ ARAÇLAR", TÜBİTAK – Marmara Araştırma Merkezi Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstit“s“, Eyl“l 00


Doğrultucular: Alternatif gerilimin doğru gerilime dön“şt“r“lmesinde doğrultucular kullanılmaktadır. Doğrultucular kontroll“ ve kontrols“z olmak “zere 2 gruba ayrılmaktadırlar. İsimlerinden de anlaşılacağı gibi kontrols“z doğrultucularda çıkış gerilimi kontrol edilmemekte ve ortalama çıkış

gerilimi AC kaynaktaki gerilim değişimlerinden ve y“kten etkilenmektedir. Kontroll“ doğrultucularda ise kullanılan yarı iletken anahtarların

anahtarlama açılarının kontrol edilmesiyle çıkış gerilimi ayarlanabilir sabit değerlerde tutulabilmektedir.

Kontrols“z Doğrultucular: Kontrols“z doğrultucularda, yarı iletken

anahtar olarak diyotlar kullanılmaktadır. G“n“m“zde en yaygın olarak kullanılan doğrultucu t“rleri köpr“ doğrultuculardır. Kontroll“ Doğrultucular: Kontroll“ doğrultucularda, anahtarlama için kontroll“ yarı iletken anahtarlar kullanılır. Kontroll“ doğrultucularda, anahtarların tetikleme açılarının kontrol“ ile çıkış gerilimi sabit bir değerde tutulur. Bunun için çeşitli darbe genişlik mod“lasyonu (PWM) teknikleri kullanılmaktadır.



Doğrultucuların Elektrikli Araçlarda Kullanımı Hibrid elektrikli taşıtlarda kullanılan bara gerilimi DC’dir. Bunun başlıca nedeni, kullanılan elektronik devrelerde senkronizasyon sorunu yaşanmaması, kontrol kolaylığı ve verimliliğin arttırılmasıdır. Ancak DC elektrik makinaları bakım

gereksinimi ve öm“rlerinin kısa olması gibi nedenlerle hibrid elektrikli araç uygulamalarında tercih edilmemektedir. (EA’larda elektrik enerjisi “retimi genellikle AC çıkışlı generatörler ile sağlanır. Üretilen elektrik enerjisi DC baraya, doğrultucu devreleri ile bağlanır. Doğrultucuların, EA’larda bir diğer kullanım alanı da ak“ şarj devreleridir. Ak“lerin şebekeden şarj edilebilmesi için kullanılan g“ç elektroniği sisteminin bir parçası da doğrultucu devreleridir. Şebeke gerilimi bir kontrols“z doğrultucu ile doğrultulur. Daha sonra bir DC/DC çevirici ile uygun şarj algoritması kullanılarak ak“ şarj edilir.


Şekil 1: Ak“ şarj sistemi


Çeviriciler: DC-DC çevirici olarak da tanımlanan çeviriciler çoğunlukla reg“le edilmemiş DC gerilim kaynağının, kontroll“ bir biçimde sabit DC

gerilime dön“şt“r“lmesi için kullanılırlar. Reg“le edilmemiş DC gerilim,

genellikle bir kontrols“z doğrultucu ile sağlanır. Ak“ler ve yakıt pilleri

de reg“le edilmemiş DC gerilim kaynağıdır. DC-DC çeviriciler anahtarlamalı g“ç kaynakları ve DC motor s“r“ş

sistemlerinde oldukça geniş kullanım alanına sahiptir. Literat“rde alçaltıcı (buck) ve y“kseltici (boost) olmak “zere 2 temel çevirici topolojisinden söz edilmektedir. Alçaltıcı-y“kseltici, flyback,

forward çeviriciler, cuk çevirici, yarım kör“ çevirici, tam köpr“ çevirici ve sepic çevirici bu iki temel devrenin kombinasyonları ile t“retilmiştir. Bahsi geçen t“m çeviricilerin tek, çift ve dört bölgede çalışan varyasyonları bulunmaktadır.



Alçaltıcı Çevirici: İsminden de anlaşılacağı “zere alçaltıcı çevirici DC giriş

geriliminden daha d“ş“k ortalama DC gerilim “retir. End“ktans y“k akımındaki dalgalanmayı, kondansatör ise çevirici çıkış

gerilimindeki dalgalanmayı azaltmak için kullanılır. Anahtar iletime geçtiğinde y“k end“ktans “zerinden beslenir.

Y“kseltici Çevirici: Y“kseltici çevirici kullanılarak ortalaması giriş geriliminden

daha y“ksek olan çıkış gerilimi elde edilir. Anahtar iletime geçtiğinde end“ktans “zerinde enerji depolanmaya başlanır ve kesime geçtiğinde kaynak ve end“ktans

geriliminin toplamı diyot “zerinden y“k“ besler.

Çeviricilerin Kontrol“: DC-DC çeviricilerde ortalama DC çıkış gerilimi, giriş

gerilimindeki dalgalanmaya veya y“kteki bir değişmeye rağmen istenilen bir değerde sabit tutulmalıdır. Çeviriciler, DC gerilimi bir seviyeden diğerine çevirmek için bir veya birden fazla yarı iletken anahtar içerirler. DC-DC

çeviricilerde ortalama DC çıkış gerilimi kullanılan bu anahtarların iletim ve kesim

sürelerinin değiştirilmesiyle kontrol edilir. En yaygın kontrol yöntemi, sabit bir

anahtarlama frekansında, anahtarın iletim süresinin ayarlanmasıdır. Darbe

genişlik modülasyonu (PWM) adı verilen bu yöntemde, anahtarın iletim süresinin

anahtarlama periyoduna oranı değiştirilir.



Çeviricilerin Hibrid Elektrikli Araçlarda Kullanım Alanları: DC-DC çeviriciler, (EA’larda farklı DC gerilim seviyesine sahip sistemlerin birbirine bağlanması ve DC motor kontrol“ olmak “zere iki amaçla kullanılabilirler. Farklı gerilim seviyesine sahip DC sistemler yakıt pili, ak“ grubu veya alçak gerilim

beslemesine ihtiyaç duyan elektronik devreler olabilir.

Bara gerilimi, kullanılan ak“lerin birbirine seri bağlanması ile gerçekleştirilebilir. Örneğin 25 adet 12 V’luk kurşun asit ak“n“n seri bağlanması ile 300 V’luk bara

gerilimi oluşturulur. Bu durumda ak“ grubu için DC-DC çevirici kullanmaya gerek

olmayabilir. Ancak yakıt pili sistemlerinin çıkış gerilimi genellikle bu seviyenin altında olduğundan, baraya g“ç yönetim sistemi adı da verilen DC-DC çevirici aracılığı ile bağlanır.


Farklı seviyedeki DC gerilimlerin

paralel bağlanması


Çeviricilerin Hibrid Elektrikli Araçlarda Kullanım Alanları (dvm.) Çevirici kullanımına bir diğer neden de gerek ak“ gerekse de yakıt pilinin ideal

gerilim kaynakları olmaması yani uç gerilimlerinin y“ke ve diğer bazı koşullara göre değişim göstermesidir. Reg“le edilmemiş g“ç kaynaklarının birbirine bağlanması kararlı olmayan bir yapı oluşmasına neden olur. (EA’larda ak“ grubu, çeşitli yol koşullarında sistemi besler ve uygun durumlarda

tekrar şarj edilir. Bu işlem için kullanılacak çevirici çift yönl“ çalışabilmeli veya iki ayrı çevirici kullanılmalıdır. İki çevirici kullanımından ağırlık ve maliyet gibi

nedenlerle kaçınılmaktadır. DC-DC çeviriciler DC motor s“r“c“s“ olarak ta kullanılmaktadır. Bu çeviriciler bir, iki, “ç ve dört bölgede çalışabilen s“r“c“ler olarak sınıflandırılırlar. Birinci bölge motor çalışma için kullanılır ve akımın akış yön“ kaynaktan y“ke doğrudur. İkinci bölge ise

geri kazanımlı frenleme içindir ve elektrik makinası generatör olarak çalışarak akımın kaynağa doğru akmasına neden olur. EA’larda geri kazanımlı frenleme s“r“ş

menzilinin arttırılması için çok önemlidir. Bu nedenle EA’larda DC motor s“r“c“leri en azından iki bölgede çalışabilmelidir. Ters yönde çalışmanın mekanik anahtarlar

yerine elektronik kontrolle yapılmasının istenmesi halinde dört bölgede çalışabilen çeviriciler kullanılır. "ELEKTRİKLİ ARAÇLAR", TÜBİTAK – Marmara Araştırma Merkezi Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstit“s“, Eyl“l 00


Eviriciler: Eviriciler DC giriş gerilimini AC’ye çeviren g“ç elektroniği devreleridir. Elektrikli taşıt tahrik sistemlerinde, 3 fazlı gerilim beslemeli PWM (Darbe genişlik mod“lasyonu)

eviriciler asenkron, s“rekli mıknatıslı motor kontrollerinde kullanılmaktadır. G“n“m“zde anahtarlama elamanı olarak çoğunlukla )GBT’ler tercih edilmektedir.

Eviriciler asenkron, senkron, s“rekli mıknatıslı senkron motor hız kontrol“nde kullanılabilir. Bu makinaların kontrol“nde

evirici çıkışı sin“zoidaldir. S“rekli mıknatıslı fırçasız doğru akım makinası kontrol“nde ise fazlar kare dalga ile beslenir.


GÜÇ ÜRETİM VE TAHRİK SİSTEMLERİ

T“m“-elektrikli ve (EA’larda kullanılan tahrik sistemleri elektrik motoru, g“ç elektroniği ve kontrol “nitelerinden oluşur. (EA’lardaki elektrik tahrik sistemlerinin seçimi, esas olarak “ç faktöre bağlıdır. Bunlar; s“r“c“n“n beklentileri, araç kısıtları ve enerji kaynaklarıdır. S“r“c“n“n

beklentileri; ivmelenme, en y“ksek hız, tırmanma kabiliyeti, frenleme ve menzil özelliklerini içeren s“r“ş profili ile tanımlanır. Araç kısıtları aracın çeşidine, araç ağırlığına ve aracın taşıdığı y“ke bağlıdır. Enerji kaynakları ise ak“ler, yakıt

pilleri, s“perkapasitörler, volanlar ve değişik hibrid kaynaklarla ilgilidir. Geçmişte kontrol“n“n kolay olması nedeniyle tercih edilen DC motor t“rleri, g“n“m“zde g“ç elektroniği alanında yaşanan gelişmeler sonucunda yerlerini AC

motorlara bırakmaktadır. Fırça-kolektör bakım gereksinimi DC motor kullanımının azalmasındaki en önemli faktörd“r. G“ç elektroniği ve kontrol teknolojilerinde gelinen noktada, asenkron motor hız kontrol“ problem olmaktan çıkmış ve end“stride oldukça yaygın olarak kullanılan bu motor EA’larda kullanım imkanına kavuşmuştur. Özellikle kısa

devre kafesli asenkron motorlar, “retimin kolaylığı, maliyet avantajı ve sağlam yapısı nedenleri ile tercih edilmektedir.


ELEKTRİK MOTORLARI

Elektrikli araç tahrik sistemlerinde başlıca 4 elektrik motoru kullanılmaktadır. • DC motor

• Asenkron motor

• S“rekli mıknatıslı motor

• Anahtarlamalı rel“ktans motoru

Özg“r ÜSTÜN, Elektrikli Otomobiller, İstanbul Teknik Üniversitesi

EV’lerde Kullanılan Elektrik Motorları • Asenkron Motor (Induction Motor)

• S“rekli Mıknatıslı Fırçasız Senkron Motor (BLSM)

• S“rekli Mıknatıslı Fırçasız DA Motoru (BLDCM)

• Anahtarlamalı Rel“ktans Motoru (SRM)

• Induction machines

• permanent magnet (PM)

synchronous machines

• PM brushless DC machines and

• switched reluctance machines

(SRMs)

ELEKTRİK MOTORLARI

Advances in electric machines, along with progress in power

electronics, are the key enablers for electric, hybrid electric, and plug-

in hybrid electric vehicles (HEVs). Induction machines, permanent

magnet (PM) synchronous machines, PM brushless DC machines,

and switched reluctance machines (SRMs) have all been considered

in various types of vehicle powertrain applications [1–20]. Brushed

DC motors, once popular for traction applications such as in

streetcars, are no longer considered a proper choice due to the bulky

construction, low efficiency, the need for maintenance of the

brush and commutator, high electromagnetic interference (EMI),

low reliability, and limited speed range.

When using electric motors for powertrain applications, there are a

few possible configurations. Today’s electric motors, combined with

inverters and associated controllers, have a wide speed range for

constant torque operations, and an extended speed range for constant

power operations, which make the design of the powertrain much

easier.

Chris Mi, M. Abul Masrur, David Wenzhong Gao, Hybrid Electric Vehicles - Principles And Applications With Practical Perspectives , ISBN 978-0-470-74773-5, 2011.

Depending on the configuration of the hybrid powertrain, the

design and selection of electric motor drives can also be different.

For example, for series hybrid vehicles, the powertrain motor

needs to be able to provide the required torque and speed for

all driving conditions. Hence, the size of the motor will be fairly

large, usually rated at 100 kW or more for passenger cars. A PM

motor or an induction motor is the preferred choice. For mild

and micro hybrids, only a small-size motor of a few kilowatts is

required. Therefore the motor can be a claw pole DC motor, or a

switched reluctance motor.

Traditional automatic transmission or continuous variable

transmission (CVT) used in conventional cars are no longer

required in electric vehicles (EVs) and many HEVs. However, a

fixed gear ratio speed reduction is often necessary. This is due to

the fact that a high-speed motor has smaller size and less weight

than a low-speed machine. A two-speed automatic transmission

may be beneficial in saving vehicle energy consumption.

ELEKTRİK MOTORLARI


DOĞRU AKIM MOTORLARI

DC motorlar, bir manyetik alan içerisinde bir iletkenden akım geçirilmesi sonucunda, o iletkene kuvvet etki etmesi prensibiyle çalışırlar. DC

motorlarda manyetik alanın oluşturulması için statorda bir alan sargısı ve

rotorda da dönme hareketinin sağlanması içinde bir end“vi sargısı bulunur. DC gerilim dönen kısma da uygulandığından fırça kolektör d“zeneği kullanılmaktadır. Bu d“zenek DC motorun bakım gereksinimini arttırmakta ve sanayide olduğu gibi EA’larda da kullanımının azalmasına

neden olmaktadır. DC motorlar alan sargısının türüne göre serbest uyarmalı, seri

uyarmalı, paralel uyarmalı ve kompund uyarmalı olmak üzere 4’e

ayrılırlar. Şekilde DC motor t“rlerinin şematik resimleri gör“lmektedir. Serbest uyarmalı DC motorlarda, uyarma sargısı ve besleme sargısı elektriksel olarak birbirinden bağımsız olan iki kaynaktan beslenir. Seri uyarmalı DC motor da uyarma sargısı ve end“vi sargısı birbirine seri,

paralelde ise paralel olarak bağlanmıştır. Kompund motor bu iki t“r“n birleştirilmesiyle elde edilir.





Kompund motorlar ise seri ve paralel motorun kombinasyonudur.

Uyarma sargılarının birbirine göre ters veya d“z sarılması ile farklı karakteristikler gösteririler. (ız kontrol“, end“viye uygulanan gerilimin arttırılması veya uyarma sargısından akan akımın azaltılması ile sağlanır. Ters yönde çalışma için ise end“vi sargısı ya da uyarma sargısından birine

uygulanan gerilim yön değiştirilmektedir.

DC makinalar kolay kontrol edilebilmesi, moment ve akı kontrolünün

bağımsız olarak sağlanabilmesi ve yerleşmiş üretim teknolojisi gibi

üstünlüklerine rağmen, yüksek bakım gereksinimine yol açan fırça

aşınmaları, düşük nominal hız, komütatör nedeniyle oluşan yüksek

elektromanyetik girişim, düşük özgül güç oranı (W/kg) ve düşük verimlilik

gibi dezavantajları vardır. EA’larda tahrik için DC motor kullanılması durumunda, hız kontrol bölgesinin arttırılabilmesi için end“vi kontrol“ ve alan kontrol“ birleştirilmelidir.


ASEKRON MOTORLAR

Dışta AC gerilimin uygulandığı stator sargıları, içte ise akım taşıyan

iletkenlerin bulunduğu rotordan oluşur. Stator sargısına uygulanan 3 fazlı AC gerilim döner manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alan rotorda

gerilim end“kler ve rotor sargılarından akım akmaya başlar. Asenkron motorun iki t“r“ bulunmaktadır: • Kısa devre kafesli asenkron motor • Bilezikli asenkron (rotoru sargılı motor

Gerilim/frekans (V/F) oranının sabit tutulması prensibine dayanan klasik

asenkron motor hız kontrol yöntemine skalar kontrol adı verilir.

Asenkron motor s“rekli hal devre eşitlikleri temel alınarak geliştirildiğinden, dinamik durumlarda ve d“ş“k hızlarda zayıf performans gösterir. EA’larda motor s“r“c“ performans gereksinimleri,

skalar kontrol yöntemin ile sağlanamayacak kadar zorludur. Bunun

yerine çoğunlukla vektör kontrol yöntemi kullanılır. Vektör kontrol yöntemi, motora uygulanan gerilimin genliği ve faz açısının kontrol“n“ içerir. "ELEKTRİKLİ ARAÇLAR", TÜBİTAK – Marmara Araştırma Merkezi Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstit“s“, Eyl“l 00

ASEKRON MOTORLAR


ASEKRON MOTORLAR


KISACA: ASEKRON MOTORLAR


• Basit Yapı • Kolay Üretim

• Ucuzluk

• Oturmuş teknoloji • Moment “retim kapasitesi orta d“zeyde

• Göreli olarak y“ksek ısınma

• Geri kazanım özelliği orta d“zeyde

• Örnek uygulama: TeslaEV

FIRÇASIZ SENKRON MOTOR


Fırçasız Senkron Motor

Fırçasız Doğru Akım Motoru

FIRÇASIZ SENKRON MOTOR


Fırçasız Senkron Motor

Fırçasız Doğru Akım Motoru

• Kolay Üretim (?)

• Mıknatıs montajı –mıknatıslama (IPM, SM)

• Pahalı Çin mıknatıs kotası

• Moment “retim kapasitesi y“ksek d“zeyde

• Geri kazanım özelliği y“ksek

• Uygulama örnekleri: Nissan Leaf, Toyota

Prius, BMW …

SÜREKLİ MIKNATISLI MOTORLAR

Manyetik alan yaratmak için uyarma sargılarının yerine mıknatıs kullanılan motorlardır. Bu yöntem, rotor bakır kayıplarını ve uyarma

devresi bakım gereksinimini ortadan kaldırır. S“rekli mıknatıslı motorlar (SM) genellikle 2 gruba ayrılırlar: • SM Senkron makinalar: Bu makinalar, asenkron makinalardaki gibi d“zenli olarak dönen stator alanına sahiptir. • Kare Dalga SM makinalar: Fırçasız DC makina olarak da adlandırılırlar. Stator sargıları ayrık zamanlarda kare dalga ile beslenirler.

S“rekli mıknatıslı makinalarda çoğunlukla ferritler, samaryum kobalt

(SmCo) ve neodmiyum-demir boron (NdFeB) olmak “zere 3 tip mıknatıs kullanılır. SM makinalar için en b“y“k tehlike, y“ksek ısı ve y“k koşullarının, mıknatısların özelliklerini kaybetmelerine neden

olabilmesidir. Bunu için SM makina tasarımında mıknatıs korunmasına yönelik uygun önlemler alınır. "ELEKTRİKLİ ARAÇLAR", TÜBİTAK – Marmara Araştırma Merkezi Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstit“s“, Eyl“l 00

SÜREKLİ MIKNATISLI MOTORLAR

Aynı g“ç oranında, s“rekli mıknatıslı motorun boyutları asenkron motora göre daha k“ç“kt“r. Rotor bakır kayıpları olmaması soğutma açısından

SM motorlara avantaj sağlamaktadır. Buna karşın asenkron motor fiyat açısından SM motora “st“nl“k sağlamaktadır. S“rekli mıknatıslı senkron motorun hız kontrol“nde vektör kontrol yöntemi kullanılabilir. Motor s“rekli senkron hızda dönd“ğ“nden vektör kontrol“n uygulanmasını kolaylaştırmaktadır. Ancak SM senkron motor hız kontrol“nde y“ksek çöz“n“rl“kl“

pozisyon sensör“ kullanılmalıdır. "ELEKTRİKLİ ARAÇLAR", TÜBİTAK – Marmara Araştırma Merkezi Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstit“s“, Eyl“l 00

http://www.everything-ev.com/index.php?main_page=index&cPath=65_77_96

ANAHTARLAMALI RELÜKTANS MOTOR

Anahtarlamalı rel“ktans makinasının (SRM) en belirgin özelliği rotorunda mıknatıs veya sargı olmaması ve statorunda bağımsız

faz sarımlarının olmasıdır. Rotor ve stator, ince manyetik çelik tabakaların “st “ste konulmasıyla oluşturulur. Anahtarlamalı rel“ktans motorları basit yapı ve d“ş“k “retim

maliyeti avantajlarına sahiptirler ve elektrikli araç tahrik

sistemi için moment-hız karakteristiğini karşılamaktadırlar. SRM kayıplarının çoğunun statorda oluşması, soğutma açısından kolaylık sağlamaktadır. Yapısındaki basitliğine karşın, tasarım ve kontrol“nde basitlik içermez. Kutup uçlarındaki şiddetli doyma ve kutupların saçak

etkisinden dolayı, tasarım ve kontrol“ zor ve karmaşıktır. Aynı zamanda, genellikle akustik g“r“lt“ problemi gösterirler. SRM’nin en önemli dezavantajlarından biride moment karakteristiğindeki dalgalanmadır.


ANAHTARLAMALI RELÜKTANS MOTOR


• Çok Basit Yapı • Kolay Üretim

• Ucuz

• Moment “retim kapasitesi orta d“zeyde

• Moment dalgalılığı ve y“ksek g“r“lt“

• Geri kazanım özelliği d“ş“k

• Akademik merak konusu


Klasik ICE Teknolojisi ve Elektrik Motoru


Klasik ICE Teknolojisi ve Elektrik Motoru

KIYASLAMA

KIYASLAMA (dvm.)

KIYASLAMA (dvm.)

Table: Typical Electric Motors 20 – 200 kW Parameters

KIYASLAMA (dvm.)

Table: Electric Motors Properties Comparison

KIYASLAMA (dvm.)

Table 1. BEV and PHEV parameters comparison

ELEKTRİK MOTORLARI-ÖRNEKLER

Alternatif 1 Alternatif 2 Alternatif 3 Alternatif 4 Alternatif 5 Alternatif 6 Alternatif 7 Üretici Firma UQM UQM Ansaldo Ansaldo Solectria Enova MES

Model Numarası SR 218N SR 286 A1H207C A1H256B AC55 EDM90 MES 200-250

Tip Fırçasız PM Fırçasız PM Asenkron Asenkron Asenkron Asenkron asenkron Sürekli Güç [kW] 30 55 30 70 34 30 30 Maksimum Güç [kW] 75 100 60 140 78 90 94,8 Sürekli Tork [Nm] 150 130 220 55 100 Maksimum Tork [Nm] 240 550 260 450 369 239 Maksimum Hız [rpm] 8000 5000 9000 9000 8000 10000 9000 Maksimum Verim [%] 94 90 95 Çap [mm] 280 405 230 300 343 270 235 Uzunluk [mm] 216 241 400 500 447 362 391 Ağırlık [kg] 40 86 80 130 106 65 61 Kontrolcü Ağırlığı [kg] 15,9 15,9 14 14 14,7 35 10 Kontrolcü Boyutları [mm]

380x365x119

380x365x119

430x330x145 420x320x180 450x235x240 606x518x201 326x212x11

5 Voltaj [VDC] 250-400 250-400 260-300 300-600 100-400 250-425 185-400 Tırmanma Kabiliyeti % 15lik Egim [E/H] H E H E H E %15 lik Eğimde 10km/h Hıza Çıkma Süresi [s] -- 8.6 s -- 3.5 s -- 27 s Maksimum Tırmanma Kabiliyeti 11% 29% 12% 23% 11% 15% Maksimum Eğimde

İvmelenme Zamanı [s] 10 km/h @

36 s 5 km/h @

32 s 10 km/h @ 31

s 5 km/h @ 27

s 10 km/h @ 40

s 10 km/h @

27 s Düz Yolda 40km/h Hıza Çıkana Kadar Geçen Zaman [s] 10 s 4 s 9 s 5 s 10 s 7.2 s

EK OKUMA VE

İNCELEMELER

Induction Motor (Asenkron Motor) Drives

Induction motors are popular choices for traction applications

due to their robust construction, low cost, wide field

weakening range, and high reliability. Especially for EVs,

PHEVs, and HEVs that requires a high-power motor, induction

motors can provide more reliable operation than other types of

electric motors [21–37]. However, when compared to PM

motors, induction motors have lower efficiency and less

torque density.

Typical induction motors used for traction applications are

squirrel cage induction motors. An inverter is used to control

the motor so that the desired torque can be delivered for a given

driving condition at a certain speed. Advanced control

methodologies, such as vector control, direct torque

control, and field-oriented control, are popular in induction

motor control for traction applications.


OKUMA PARÇASI: ASEKRON MOTORLAR

Principle of Induction Motors

The basic structure of an induction machine is shown in Figure 1. The two main parts of an

induction motor are the stator (which houses the winding) and the rotor (which houses the

squirrel cage). Both stator and rotor are made out of laminated silicon steel with thickness of

0.35, 0.5, or 0.65 mm. The laminated steel sheets are first stamped with slots and are then

stacked together to form the stator and rotor, respectively. Windings are put inside the stator

slots while the rotor is cast in aluminum.

There are some additional components to make up the whole machine: the housing that encloses

and supports the whole machine, the shaft that transfers torque, the bearing, an optional

position sensor, and a cooling mechanism (such as a fan or liquid cooling tubes).


Figure 1 An

induction motor: (a)

rotor and stator

assembly; (b) rotor

squirrel cage; and

(c) cross-sectional

view of an ideal

induction motor

with six conductors

on the stator


Hence, we will have three approaches for changing the speed of an induction motor:

change the number of poles, change frequency, and change slip:

1. Change the number of poles: The stator winding is designed such that, by changing the

winding configuration, the number of poles will change. For example, some induction motors are

designed as 4/6, 6/8, or 4/8 pole capable. While changing the number of poles has been used

in controlling the induction motor speed in the past, it is used less and less today due to the

complexity of the stator winding configuration and low efficiency.

2. Change the frequency of the supply voltage: This is the most popular method for

controlling induction motor speed in modern drive systems, including traction drives.

3. Change slip: Since the electromagnetic torque of an induction motor is closely related to

slip, there are a few ways to change the slip to control induction motor speed:

(a) Change the magnitude of the supply voltage: As the voltage is changed, the speed of the

motor is also changed. However, this method provides limited variable speed range since the

torque is proportional to the square of voltage.

(b) Change stator resistance or stator leakage inductance: This can be done by connecting

a resistor or inductor in series with the stator winding.

(c) Change rotor resistance or rotor leakage inductance: This is only applicable to wound-

rotor induction motors.

(d) Apply an external voltage to the rotor winding: This voltage has the same frequency as

the rotor back emf or rotor current. Modern, doubly fed wind power generators belong to this

group. This method is only applicable to wound-rotor induction motors.



PM motors are the most popular choices for EV and HEV powertrain applications due

to their high efficiency, compact size, high torque at low speeds, and ease of

control for regenerative braking [43–90]. The PM motor in a HEV powertrain is

operated either as a motor during normal driving or as a generator during

regenerative braking and power splitting, as required by the vehicle operations and

control strategies. PM motors with higher power densities are also now increasingly

the choice for aircraft, marine, naval, and space applications.

The most commercially used PM material in traction drive motors is neodymium–ferrite–boron (Nd–Fe–B). This material has a very low Curie temperature and

high temperature sensitivity. It is often necessary to increase the size of magnets to

avoid demagnetization at high temperatures and high currents. On the other hand, it is

advantageous to use as little PM material as possible in order to reduce the cost

without sacrificing the performance of the machine.

OKUMA PARÇASI: PERMANENT MAGNET MOTOR DRIVES


Not: Curie sıcaklığı, ferromanyetik bir maddenin, kalıcı mıknatıslığını yitirip paramanyetik hale geçtiği kritik sıcaklıktır. Curie sıcaklığının “st“nde, ısı enerjisi manyetik momentlerin rastgele yönelmelerine sebep olur ve madde

paramanyetik hale geçer. Paramanyetizma alanında çalışan Pierre Curie'nin anısına bu sıcaklığa Curie sıcaklığı denmektedir.

http://tr.wikipedia.org/wiki/Ferromanyetik

http://tr.wikipedia.org/wiki/Paramanyetik

http://tr.wikipedia.org/wiki/Pierre_Curie

Basic Configuration of PM Motors

When PMs are used to generate the magnetic field in an electric machine, it becomes

a PM motor. Both DC and AC motors can be made with PMs. Only PM

synchronous motors and PM brushless DC motors are chosen for modern

traction drives.

A PM synchronous motor contains a rotor and a stator, with the stator similar to

that of an induction motor, and the rotor contains the PMs. From the section on

induction motors, we know that the three-phase winding, with three-phase

symmetrical AC supply, will generate a rotating magnetic field. To generate a

constant average torque, the rotor must follow the stator field and rotate at the

same synchronous speed. This is also why these machines are called PM

synchronous motors.

There are different ways to place the magnets on the rotor, as shown in Figure 2. If

the magnets are glued on the surface of the rotor, it is called a surfaced-mounted

PM motor or SPM motor. If the magnets are inserted inside the rotor in the pre-cut

slots, then it is called an interior permanent magnet motor or IPM motor.

For a SPM motor, the rotor can be a solid piece of steel since the rotor iron core itself

is not close to the air gap, hence the eddy current loss and hysteresis loss due to

slot/tooth harmonics can be neglected. For the IPM motor, the rotor needs to be

made out of laminated silicon steel since the tooth/slot harmonics will generate

eddy current and hysteresis losses.




Figure 2: Surface-

mounted magnets and

interior magnets: left,

SPM motor; right, IPM

motor.

1 – magnet; 2 – iron

core; 3 – shaft; 4 – non-

magnet material; 5 –

non magnet material

Basic Configuration of PM Motors (cont.)

Due to the large air gap as well as the fact that the magnets have a permeability similar to that

of air, SPM motors have similar direct-axis reactance xd and quadrature-axis reactance xq . On

the other hand, IPM motors have different xd and xq. This difference will generate a so-called

reluctance torque. It is worth pointing out that although there is a reluctance torque

component, it does not necessarily mean an IPM motor will have a higher torque rating than a

SPM motor for the same size and same amount of magnetic material used.

This is because, in IPM motors, in order to keep the integrity of the rotor laminations, there are

so-called magnetic bridges that will have leakage magnetic flux. So for the same amount

of magnet material used, a SPM motor will always have higher total flux.

There are many different configurations for IPM motors as shown in Figure 3.


Basic Principle and Operation of PM Motors The no-load magnetic field of PM machines is shown in Figure 3. When the

rotor is driven by an external source (such as an engine), the rotating

magnetic field will generate three-phase voltage in the three-phase windings.

This is the generator mode operation of the PM machine.

When operated as a motor, the three-phase windings, similar to those of an

induction motor, are supplied with either a trapezoidal form of current

(brushless DC) or sinusoidal current (synchronous AC). These currents

generate a magnetic field that is rotating at the same speed as the rotor, or

synchronous speed. By adjusting the frequency of the stator current, the

speed of the rotor or the synchronous speed can be adjusted accordingly.

The torque is the attraction between the rotor magnetic field and the stator

magnetic field in the circumferential direction. Hence, at no-load conditions,

the rotor and the stator field are almost lined up. When the angle between

the rotor field and the stator field reaches 90 electric degrees, the maximum

torque is reached in SPM motors. For IPM motors, the maximum torque

occurs at an angle slightly larger than 90◦ due to the existence of reluctant

torque.




Figure 3: Four commonly used

IPM rotor configurations: (a)

circumferential-type magnets

suitable for brushless DC or

synchronous motor; (b)

circumferential-type magnets

for line-start

synchronous motor; (c)

rectangular slots IPM motor;

and (d) V-type slots IPM motor



Although today’s motor design is usually aided by finite element

analysis (FEA), the initial design stages are still realized through

analytical methods. Air-gap flux is one of the most important

parameters of PM motor designs and equivalent magnetic circuit

analysis is used to calculate the air-gap flux in PM motors. For SPM

motors, the equivalent magnetic circuit is straightforward. But for

IPM motors, the PMs are buried inside the rotor laminations, with

magnets inserted into the pre-stamped slots. This arrangement

protects the magnets from flying away from the rotor surface due to

centrifugal force, fatigue, and aging of material during operation of

the motor. Another advantage of IPM motors is that rectangular

(cuboid) magnets can be used to simplify the manufacturing process

and reduce the cost of manufacturing PM material. Flux

concentration structures (such as magnets arranged in a V-shape)

are often used to increase air-gap flux density in IPM motors [85].

OKUMA PARÇASI: Magnetic Circuit Analysis of IPM Motors


Calculating air-gap flux in IPM motors is somewhat troublesome due to the

existence of so-called magnetic bridges. When an integrated lamination is

used for IPM motors, magnetic short circuits exist around the edges of the

magnets. These magnetic bridges are designed to enhance the integrity of

the rotor. The magnetic bridges introduce magnetic short circuits and

complicate the design and analysis of IPM motors. On the other hand, there

are also concerns about how to limit the leakage flux in these magnetic

bridges while maintaining the mechanical strength of the rotor. The flux

leakage and flux distribution in

the magnetic bridges can be precisely obtained through numerical methods

such as FEA. However, FEA can only be performed after the preliminary

dimensions of the motor have been determined. FEA is also cumbersome

and time consuming in the early stages of PM motor design where numerous

iterations are usually performed. Analytical calculation and analysis of all

types of PM motors are essential in their early design stage.

This section discusses the analytical method to calculate the air-gap flux of

IPM machines using an equivalent magnetic circuit model taking into

account the assembly gap and saturation in the steel. Factors that affect the

flux leakage in an IPM motor will also be discussed.

OKUMA PARÇASI: Magnetic Circuit Analysis of IPM Motors


Sizing of magnets is one of the critical tasks of PM machine

design. This section discusses the analytical methods to

calculate the volume and size of magnets for PM motors. The

proposed methods are validated by FEA and experiments [91].

The formulas will be derived based on a set of assumptions

and then modified based on practical design considerations.

The assumptions include the following:

• Magnetic pole salience can be neglected

• The stator resistance is negligible.

• Saturation can be neglected.

• The air-gap flux is sinusoidally distributed.

OKUMA PARÇASI: Sizing of Magnets in PM Motors

Functional block diagram of a typical electric

propulsion system

Mehrdad Ehsani, Yimin Gao, Ali Emadi, "Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles", 2010.

ÖRNEKLER

Johan Konnberg - Volvo Car Electrification Strategy, 2012-10-23

• Battery weight 2 x 140 kg

• Total weight: 1660 kg

• Low mounted batteries for low centre of gravity

• Weight distribution front / rear 56 / 44 (60/40 C30)

• Li-Ion batteries 400 V / Capacity 24 kWh [8 h @ 230 V/16 A]

• Electric motor 82 kW (111 hk)

• Torque 220 Nm

• Acceleration 0-70 km/h 6.0 s / 0-100 km/h 10.9 s

• Top speed 130 km/h

• Practical driving range up to 150 km [NEDC 163 km]

• Consumption: 15 kWh/100 km

• Pure Electric, 0 g CO2 tail pipe emissions


Battery

12 kWh

Battery

12 kWh

PDU [Power Distribution Unit]

Inverter

DC/DC converter

Connector

Electric driven

AC-compressor

Electric motor

230 V AC cable

OBC [On Board Charger]


• Peak power 89 kW (120 bhp)

• Torque 250 Nm

• 0–70 km/h in 5,9 seconds

• Top speed 125 km/h

• Technology intended for large scale production

with automotive standard

Documents

HİBRİD VE ELEKTRİKLİ ARAÇLAR - Abdullah Demir · control. 2 1.Saeed Niku. Introduction to Robotics: Analysis, Control, Applications. 2nd ed. John Wiley & Sons, Inc., ... döner