Fırçasız, Dış Rotorlu Elektrikli Bisiklet Motoru Tasarımı



Yüklə 87,65 Kb.
Pdf görüntüsü
tarix06.12.2016
ölçüsü87,65 Kb.

Fırçasız, Dış Rotorlu Elektrikli Bisiklet Motoru Tasarımı, 

Üretimi Ve Deneysel Doğrulaması 

Design, Production  and Experimental Verification Of A 

Brushless, Outer Rotor Electric Bicycle Motor 

Oğuzhan Ocak

1

, Dilan Yılmaz

 1

, Melike Aydın

2

 ve Metin Aydın

2,3 

 

1

Ar-Ge Departmanı, Akım Metal San. ve Tic. A.Ş. 



İstanbul Anadolu Yakası Org. San. Bölg., Tuzla / İstanbul 

oocak@akimmetal.com.tr / arge29@akimmetal.com.tr 

 

2

Ar-Ge Departmanı, MDS Motor Tasarımı Ltd. 



Kocaeli Üniversitesi Teknopark, Yeniköy, Başiskele / Kocaeli 

melike@mdsmotor.com 

 

3

Mekatronik Mühendisliği Bölümü 



Kocaeli Üniversitesi, Umuttepe Yerleşkesi, İzmit / Kocaeli 

metin.aydin@kocaeli.edu.tr 

 

 

Özet 



Bu çalışma kapsamında elektrikli bisiklet uygulamaları için 3-

faz  fırçasız  DC  motor  tasarımı,  prototip  üretimi  ve  deneysel 

doğrulaması  gerçekleştirilmiştir.  Uygulamada  kullanılacak 

olan  senkron  motor  uygulamanın  şekline  bağlı  olarak  dış 

rotorlu  ve  yüzeyden  mıknatıslı  olacak  şekilde  seçilmiştir.  Ön 

tasarım  SPEED  programı  kullanılarak  yapılmış,  Flux  2D 

programı  ile  detaylı  sonlu  elemanlar  analizi  (SEA) 

gerçekleştirilmiştir.  Elde  edilen  sonuçların  tasarım  kriteriyle 

örtüştüğü  fiziksel  parametreler  için  prototip  üretimi 

gerçekleştirilmiş  ve  prototip  motoru  test  sonuçları  ile  analiz 

sonuçlarının uyum içerisinde olduğu gözlenmiştir. 

 

Abstract 



In  this  paper,  design  of  a  3-phase  brushless  DC  motor  for 

electric  bicycle  applications  is  completed  with  prototype 

motor  and  experimental  data.  Outer  rotor  surface  mounted 

permanent  magnet  synchronous  motor type  has been  selected 

due  to  the  application.  Pre-design  stage  is  realised  using 

SPEED  and  Flux  2D  Software  and  detailed  finite  element 

analysis  (FEA)  are  also  completed.  Prototype  motor  is 

manufactured  and  experimental  results  are  compared  with 

simulation  results.  Good  agreement  is  observed  between  the 

experimental motor and simulation data. 

1.  Giriş 

Günümüzde  birçok  ülkede  giderek  artan  trafik  problemi  ve 

şehir kirliliğini önlemek amacıyla temiz ulaşım alternatiflerine 

daha  çok  önem  verilmektedir.  Temiz  ulaşım  için  alternatif 

olarak  çoğunlukla  elektrikli  bisiklet,  elektrikli  scooter-mopet 

ve  elektrikli  otomobiller  tercih  edilmektedir.  Kullanım 

kolaylığı  ve  birçok  yere  uyarlanabilmesi  amacıyla  elektrikli 

bisikletlere  yönelik  talep  gün  geçtikçe  özellikle  de  gelişmiş 

ülkelerde  artış  göstermektedir  [4],[5].  Bu artış  da  beraberinde 

yüksek  verimli  ve  hızlı  elektrikli  bisiklet  motoru  talebini 

getirmiştir.  Elektrikli  bisiklet  uygulamalarında  küçük  hacimli 

ve yüksek verimli motorlara ihtiyaç duymasının yanında anlık 

moment  ihtiyaçlarına  cevap  verebilecek  motorlar  da  tercih 

edilmektedir.  Bu  uygulamalarda,  getirdiği  net  avantajlar 

nedeniyle  genellikle  fırçasız  DC  motor  olarak  da  adlandırılan 

‘fırçasız 

sürekli 

mıknatıslı 

senkron 

motorlar’ 

tercih 

edilmektedir [6]. 



Sürekli  mıknatıslı  motorlarda  kullanılan  NdFeB  tip 

mıknatısların  akı  değerlerinin  yüksek  olması  motorların  güç 

yoğunluklarının  yüksek  olmasını  sağlamaktadır  [2].  Rotor 

yapısının  fırçasız  olması  da  boyutlarının  ve  ağırlıklarının 

düşük 

olmasını 



ve 

bakım 


gerektirmemesine 

imkan 


tanımaktadır.  Tüm  bu  özellikler  dikkate  alındığında  doğru 

tasarım  parametreleriyle,  oldukça  kompakt,  kolay  monte 

edilebilir  ve  sürekli  çalışma  hız  aralığında  yüksek  verime 

sahip  sürekli  mıknatıslı  senkron  motor  tasarımı  elde  etmek 

mümkündür. 

Elektrikli  bisiklet  uygulamalarında  kullanılan  motor, 

bisiklet  tekerleklerine  yerleştirilip  kullanıcının  pedal  gücünü 

destekleyeceğinden, tercih edilen sürekli mıknatıslı motor türü 

dış  rotorlu  olmalıdır.  Motor  bisikletin  tekerleklerinin  her 

ikisine ya da sadece ön veya arka tekerleğe de yerleştirilebilir. 

Benzer 

şekilde 


pedalsız 

bisikletlerde 

de 

kullanım 



karakteristiğine  bağlı  olarak  elektrik  motoru  kullanmak 

mümkündür. 

Bu çalışmanın amacı 3 tekerlekli, pedalsız bir bisiklet için 

belirlenen  tasarım  kriterleri  doğrultusunda  3  fazlı  fırçasız 

sürekli mıknatıslı ve dış rotorlu bir senkron motor tasarımının 

yapılması ve prototipi üretilerek sonuçlarının doğrulanmasıdır. 

Bu  kapsamda  verilen  elektriksel  ve  mekanik  tasarım  girdileri 

kullanılarak  motor  ön  tasarımı  gerçekleştirilmiş,  motor 

modern  motor  tasarım  ve  analiz  yazılımları  kullanılarak 

incelenmiş,  prototip  üretimi  gerçekleştirilmiş  ve  deneysel 

olarak yapılan çalışmalar doğrulanmıştır.  

 

 



Eleco 2014 Elektrik 

Elektronik 



Bilgisayar ve Biyomedikal 

Mühendisliği 

Sempozyumu, 27 

– 29 Kasım 2014, Bursa

178


 

2. Fırçasız Motor Tasarımı ve Motor 

Parametreleri 

Sürekli  mıknatıslı  motor  tasarımında  kutup  ve  oluk  sayısı 

kombinasyonu,  akım  dalga  şekli,  vuruntu  momenti  seviyesi, 

zıt  EMK  dalga  formu  ve  çıkış  momentinin  kalitesi  motor 

karakteristiklerini  doğrudan  etkileyen  önemli  faktörlerdir. 

Bunun için uygulamaya bağlı olarak bu kombinasyonun doğru 

seçilmesi  tasarım  için  oldukça  önemli  bir  faktördür.  Dış 

rotorlu yapı için tasarım kodları ile gerçekleştirilen ön çalışma 

sonucu  bu  uygulama  için  kutup  sayısının  20  olması  birçok 

avantajı  beraberinde  getirmektedir. 

Şekil  1

’de  motor  güç 

yoğunluğunun  kutup  sayısına  bağlı  değişiminde  20  kutuplu 

motor  olması  gerektiği  gösterilmiştir.  Ayrıca  bu  avantajlar 

arasında  başlıca  yüksek  güç  yoğunluğu,  düşük  malzeme 

maliyeti  ve  düşük  ağırlık  gösterilebilir.  Çalışma sonunda  elde 

edilen  kutup  sayısına  uygun  18,  24,  27,  30,…  gibi  bir  çok 

stator  oluk  sayısı  bulunmaktadır.  Getirdiği  üretim  kolaylığı 

nedeniyle  stator  oluk  sayısı  18  olarak  belirlenmiş  ve 

çalışmalara bu doğrultuda yön verilmiştir. Oluşturulan SPEED 

modeli ile 

Tablo 1


’ de verilen tasarım kriterleri doğrultusunda 

ön  modelleme  yapılmış  ve  elde  edilen  en  iyi  sonuçlar  için 

detaylı sonlu elemanlar analizi kısmına geçilmiştir. 

 

Şekil 1. Kutup sayısı optimizasyonu 



Tablo 1. .Motor tasarım parametreleri 

Motor gücü 

300 [W] 

Anma hızı 

250 [rpm] 

DC Bara gerilimi 

24/48 [V] 

Maksimum dış çap 

200 [mm] 

Kutup sayısı 

20 

Oluk sayısı 



18 

Nüve malzemesi 

M330-35A 

3. Sonlu Elemanlar Analizi 

Ön  tasarımı  tamamlanan  motorun  elektromanyetik  analizi 

Flux  2D  sonlu  elemanlar  analizi  yazılımı  kullanılarak 

yapılmıştır.  Tasarıma  ait  SEA  modeli  ve  bu  modele  ait  ağ 

yapısı  Şekil  2’de  gösterilmiştir.  Şekilden  görüldüğü  üzere 

özellikle elektromanyetik dönüşümün olduğu hava aralığı gibi 

bölgelerde  ağ  yapısı  çok  küçük  üçgenlerden  oluşturulmuşken, 

dönüşümün  olmadığı  diğer  yerlerde  daha  büyük  üçgenlerden 

oluşan ağ yapısı kullanılarak hızlı ve doğru çözüme ulaşılması 

sağlanmıştır.  

Yüksüz  durum  için  akı  yoğunluğu  dağılımına  ve  akı 

çizgilerine  bakılmıştır  (Şekil  3  ve  Şekil  4).  Yüksüz  durumda 

statorun  eriştiği  maksimum  akı  yoğunluğu  1.5  [T] 

seviyelerindedir.  Bu  değer  de  kullanılan  sac  malzemenin 

doyum eğrisi göz önüne alındığında makul seviyelerdedir.  

 

Şekil 2. Tasarımın SEA modeli ve ağ yapısı 

 

Şekil 3. Yüksüz durum akı yoğunluğu değişimi 

 

Şekil 4. Akı çizgileri dağılımı 

Eleco 2014 Elektrik 

Elektronik 



Bilgisayar ve Biyomedikal 

Mühendisliği 

Sempozyumu, 27 

– 29 Kasım 2014, Bursa

179


Sürekli  mıknatıslı  motorlarda  moment  kalitesi  önem 

taşıyan  bir  konudur.  Motorun  moment  kalitesinin  yüksek 

olması  motor  performansına  etkisinin  yanında  sistem 

performansına  da  etki  etmektedir.  Bu  sebeple  özellikle  düşük 

hızlarda  moment  kalitesini  etkileyen  vuruntu  seviyesinin 

düşük tutulması uygulama için kritiktir.  

Yüksüz  durum  analizi  için  ilk  olarak  tasarımın  vuruntu 

momenti  seviyelerine  ve  zıt  EMK  dalga  değişimine 

bakılmıştır.  Vuruntu  momenti  seviyeleri  Şekil  5’  den 

görüldüğü  üzere  maksimum  0.2  Nm  seviyelerindedir.  Bu 

değer tasarım kriterlerini sağlayan, anma momentinin %1.3’ ü 

seviyelerinde  oldukça  küçük bir  değerdir.  500  rpm hız  değeri 

için motordan elde edilen zıt EMK hat ve faz gerilimleri Şekil 

6’ da verilmiştir. Şekilden görüldüğü üzere faz gerilimi  iste- 

 

Şekil 5. Tasarımın vuruntu momenti değişimi 

a)

 



b)

 

Şekil 6. Zıt EMK a) faz ve b) hat dalga değişimleri 

nildiği  gibi  kare  dalga  şekline  oldukça  yakındır.  Hat  dalga 

şekli ise iki faz arasındaki gerilim olduğu için şekli sinüzoidal 

dalga  şeklindedir.  Hat  gerilimi  tepe  değeri  81.6V,faz  gerilimi 

tepe değeri 41.85V olarak elde edilmiştir.  

Yüksüz  durum  analizlerinden  sonra  yüklü  durum 

analizlerine  geçilmiş  ve  farklı  akım  seviyeleri  için  çıkış 

momenti  seviyeleri incelenmiştir. 10  A  maksimum  değer için 

elde  edilen  çıkış  momenti  dalga  değişimi  Şekil  7’  de 

gösterilmiştir.  Bu  durumda  çıkış  momenti  ortalama  değeri 

15.8  Nm  olarak  elde  edilmiştir.  Ayrıca  çıkış  momentinde 

ortalama 

momentin 

%15’ 



seviyelerinde 



moment 

dalgalanması olduğu gözlenmiştir.  

Son  olarak  motora  ait  moment  ve  gerilim  sabitlerinin 

bulunması  için  moment-akım  ve  gerilim-hız  grafikleri 

oluşturmak  amacıyla  analizler  yapılmıştır.  Şekil 8  ve  Şekil 9’ 

den  görüldüğü  üzere  motora  ait  moment  sabiti  (K

t

)  1.49 


[Nm/A

mak


] seviyelerinde, gerilim sabiti(K

v

) ise 0.16 [V/krpm] 



seviyelerindedir.  

 

 



Şekil 7. Tasarımın çıkış momenti grafiği 

 

 



Şekil 8. Moment-akım grafiği 

-0.25


-0.2

-0.15


-0.1

-0.05


0

0.05


0.1

0.15


0.2

0.25


0

2

4



6

V

u



ru

n

tu



 M

o

m



e

n

ti



[Nm

]

Rotor Açısı [Derece]



-60

-40


-20

0

20



40

60

0



10

20

30



40

50

Z



ıt 

E

M



K

 [V


]

Rotor Açısı [Derece]

Faz 1

Faz 2


Faz 3

-100


-80

-60


-40

-20


0

20

40



60

80

100



0

10

20



30

40

50



Z

ıt 


E

M

K



 [V

]

Rotor Açısı  [Derece]



Hat 1

Hat 2


Hat 3

 

0



1

2

3



4

5

6



7

8

9



10

11

12



13

14

15



16

17

0



10

20

30



M

o

m



e

n

t[



Nm

]

Rotor Açısı[Derece



]

 

0



5

10

15



20

25

30



0

2

4



6

8

10



12

14

16



18

20

22



M

o

m



e

n

t



[N

m

]



Akım [A

mak


]

Eleco 2014 Elektrik 

Elektronik 



Bilgisayar ve Biyomedikal 

Mühendisliği 

Sempozyumu, 27 

– 29 Kasım 2014, Bursa

180


 

Şekil 9. Gerilim-hız grafiği 

4. Prototip Üretimi ve Deneysel Doğrulanması 

 

Tasarım  kriterleri  doğrultusunda  bir  tasarım  oluşturulmuş  ve 

kriterleri  sağlayan  boyutlar  için  prototip  üretimi  aşamasına 

geçilmiştir.  Prototip  üretim  aşamasında  stator  sacları  hızlı 

fiber  optik  laser  kesim  yöntemi  kullanılarak  kesilmiş  ve 

malzeme manyetik özelliklerine zarar verilmeden kesim işlemi 

sonlandırılmış  ve  stator  yapısı  oluşturulmuştur.  Mıknatıslar 

kalitesinden  emin  olunan  bir  firmadan  temin  edilerek 

prototipte  malzeme  bağımlı  hataların  oluşmasının  önüne 

geçilmiştir.  Ayrıca  işlenen  parçalarda  belirtilen  toleranslar 

dahilinde  imalat  gerçekleştirilmiş  ve  doğruluğu  kalite 

kontroller ile teyit edilmiştir. Bu çalışmaların amacı prototipin 

kaliteli  üretilerek,  testleri  sonucu  oluşabilecek  hataların 

nedenini daha kolay bulmak adına oldukça önemlidir. Prototip 

motora  ait  sarımları  yapılmış  stator,  mıknatısları  yapıştırılmış 

rotor ve montajı yapılmış motora ait görüntüler sırasıyla Şekil 

10, Şekil 11 ve Şekil 12’ de verilmiştir.  

 

 



Şekil 10. Prototip stator yapısı ve sargılar 

 

Şekil 11. Prototip rotor yapısı 

 

Şekil 12. Prototip motorun gövdeye yerleştirilmiş hali 

Prototipe  ait  yüklü  ve  yüksüz  durum  testlerinin 

yapılabilmesi  için  deney  düzeneği  uygun  hale  getirilmiş  ve 

motor  düzeneğe  sabitlenmiştir.  Düzeneğe  montajı  yapılmış 

prototip motor Şekil 13'de gösterilmiştir.  

Prototipe  ait  yapılan  ilk  test  vuruntu  momenti  testidir. 

Motor  yüksüz  durumda,  düşük  hız  seviyelerinde  çevrilerek 

rotordan  elde  edilen  moment  değeri  kaydedilmiş  ve  elde 

edilen  datalar  simülasyon  sonuçları  ile  kıyaslanmıştır.  Test 

sonucunda  prototipe  ait  vuruntu  momentinin  0.198Nm 

seviyelerinde  olduğu  görülmüştür.  Şekil  14'ten  görüldüğü 

üzere  simülasyon  sonuçları  ile deneysel sonuçlar, aralarındaki 

yaklaşık 

%1 


fark  ile 

uyum 


içerisindedir. 

Vuruntu 


momentinden  sonra  zıt EMK  testleri  gerçekleştirilmiştir.  Elde 

edilen sonuçlarla simülasyon sonuçlarının karşılaştırması Şekil 

15'te verilmiştir. Şekilden görüldüğü üzere test sonucunda elde 

edilen  hat  gerilimi  tepe  değeri  83V’tur  ve  bu  da  simülasyon 

sonuçları ile %1.71 hata payı ile örtüşmektedir. 

 

 



0

10

20



30

40

50



60

70

80



90

0

100



200

300


400

500


600

G

e



ri

lim


[V

]

Hız [rpm]



Eleco 2014 Elektrik 

Elektronik 



Bilgisayar ve Biyomedikal 

Mühendisliği 

Sempozyumu, 27 

– 29 Kasım 2014, Bursa

181


 

 

 



 

Şekil 13. Motor test düzeneği 

 

Şekil 14. Motor vuruntu momenti test ve analiz 

sonuçları karşılaştırma grafiği 

 

 



 

Şekil 15.Zıt EMK test sonucu grafiği 

 

 



 

 

 



 

 

 



5. Sonuçlar 

Bu  çalışma  kapsamında  elektrikli  bisikletlerde  kullanılmak 

üzere  dış  rotorlu  fırçasız  bir  senkron  motor  tasarımı  yapılmış 

ve  elde  edilen  tasarımın  prototip  üretimi  gerçekleştirilmiştir. 

Ayrıca  prototip  testleri,  oluşturulan  deney  düzeneği 

kullanılarak  gerçekleştirilmiş  ve  simülasyon  sonuçları  ile  test 

sonuçlarının büyük ölçüde örtüştüğü görülmüştür

.  


6. Teşekkür 

Yazarlar, desteklerinden dolayı Akım Metal A.Ş., MDS Motor 

Ltd. ve Kocaeli Üniversitesi’ ne teşekkür eder

.  


 

7. Kaynaklar 

[1]  Azira  Adnan  and  Dahaman  Ishak,  Finite  Element 

Modelling and Analysis of External Rotor Brushless 

DC  Motor  for  Electric  Bicycle.,IEEE  Student 

Conference on Research and Development, 2009 

[2]  Silvia  Maria  Diga,Maria,  Brojboiu,Nicolae  Diga, 

Constantin  Stoica,  Considerations  on  2D  Numerical 

Modelling  of  Permanent  Magnet  Synchronous 

Motors for Driving Electric Bicycles, IEEE, 2013 

[3]  Kyung  Su  Kim,Sung  Ho  Lee,Hyung-Rok  Cha,Kyu 

Seok  Lee,Sung  Jun  Park,  Design  ana  Analysis  of 

Outer Rotor Type IPMSM for an Electric Bicycle 

[4]  Burin  Kerdsup,Nisai  H.Fuengwarodsakul,  Analysis 

of  Brushless  DC  Motor  in  Operation  with  Magnetic 

Saturation  using  FE      Method,8th.ECTIConference,  

2011  


[5]  A.Muetze,Y.C.Tan,  Performance  Evaluation  of 

Electric Bicycles,IEEE,2005 

[6]  T.F.Chan,  Lie-Tong  Yang,Shao-Yuan  Fang,Design 

of  a  Permanent-Magnet  Brushless  D.C Motor  Drive 

for an Electric Bicycle,IEEE,1999 

[7]  Silvia  Maria  Diga,Maria,  Brojboiu,Nicolae  Diga, 

Constantin  Stoica,  Particularities  of  Construction 

and Design of  Permanent Magnets Synchronous for 

Driving  Electric  Bicycles,Recent  Researches  in 

Electric Power and Energy Systems 

[8]  Per  Roger  Johansen,Dean  Patterson,Christopher 

O’Keefe,John  Swenson,The  Use  of    an    Axial  Flux 

Permanent  Magnet  in  Wheel  Direct  Drive  in  an 

Electric Bicycle,Renewable Energy,2001 

[9]  Yoshio 

Tomigashi,Tetsuji 

Ueta,Kazunobu 

Yokotani,Kazuo Ikegami,Reducing Cogging Torque 

of  Interior  Permanent  Magnet  Synchronous  Motor 

for Electric Bicycles 

 

 

 



-0.4

-0.3


-0.2

-0.1


0

0.1


0.2

0.3


0.4

2

3



4

5

6



7

V

u



ru

n

tu



 M

o

m



e

n

ti



[N

m

]



Rotor Açısı [Derece]

Deneysel


Analiz

 

-40



-30

-20


-10

0

10



20

30

40



0

10

20



30

40

Z



it

 E

M



K

 [

V



]

Rotor konumu [deg]

SEA

deneysel


Prototip motor 

torkmetre 

Yük motoru 

Eleco 2014 Elektrik 

Elektronik 



Bilgisayar ve Biyomedikal 

Mühendisliği 

Sempozyumu, 27 



– 29 Kasım 2014, Bursa

182


Yüklə 87,65 Kb.

Dostları ilə paylaş:




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©azkurs.org 2020
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə