Elektrikli ve hibrit mobil ulaşım araçları için eksenel ve değişken akılı relüktans makinaların tasarımı ve elektromanyetik moment bileşenlerinin analitik olarak incelenmesi

Bu tezde, eksenel ve değişken akılı relüktans makine (EDARM)’ın zıt elektromotor kuvveti (zıt-EMK) ve elektromanyetik momenti analitik olarak incelenmiş ve bu motorun tasarımı üzerinde çalışılmıştır. Daha sonra, tasarlanan motorun prototip üretimi gerçekleştirilerek, analitik hesap sonuçları sonlu eleman analizi sonuçları ve deney verileriyle doğrulanmıştır. EDARM’ın analitik olarak modellenmesi kapsamında,sargı ve hava aralığı manyetik geçirgenlik fonksiyonlarının Fourier serisi açılımları yapılarak, motorun ürettiği senkron moment bu bileşenler cinsinden frekans ekseninde ifade edilmiştir. Literatürde yer alan, konformal dönüşüm (Conformal Mapping) yöntemi kullanılarak elde edilen hava aralığı manyetik geçirgenlik fonksiyonları kullanılarak zaman ve konum eksenlerinde zıt-EMK ve elektromanyetik moment hesapları yapılmıştır. Bu hesaplardan yola çıkılarak ve genetik optimizasyon algoritmasının kullanılması suretiyle, eksenel ve değişken akılı relüktans motorun tasarım basamakları detaylandırılmıştır. Tasarım basamaklarının takip edilmesiyle, 1 kW gücünde, tek rotor diş sayısına sahip, çift statorlu eksenel ve değişken akılı bir relüktans motor tasarlanmıştır. Tek statorlu ve tek rotor diş sayısına sahip değişken akılı relüktans makinenin hava aralığında meydana gelen dengesiz kuvvet dağılımının çift stator yapısıyla dengelenebileceği sonlu eleman analiz programında gerçekleçtirilen statik yapısal analizlerle gösterilmiştir. Buna ek olarak, tasarlanan motorun prototip üretimi gerçekleştirilmiştir. Böylece, analitik model ve elektromanyetik sonlu eleman analiz sonuçları, prototip motorun testi sonucunda elde edilen verilerle doğrulanmıştır.Sonrasında ise, tasarlanan 40 kW’lık bir eksenel ve değişken akılı relüktans motorun başarım değerleri hesaplanmış ve elde edilen sonuçlar ticari bir gömülü mıknatıslı senkron motor (GMSM)’nin başarım değerleriyle karşılaştırılmıştır.

In this thesis, the back electromotive force (back-EMF) andelectromagnetic torque of the axial and variable flux reluctance machine (AVFRM) were analytically investigated, and the design of this motor was studied. Subsequently, aprototype of the designed motor was manufactured, and the results of the analytical calculations were validated through finite element analysis andexperimental data. As part of the analytical modeling of the AVFRM, Fourier series expansions of the winding and air-gap magnetic permeance functions were performed, and the synchronous torque produced by the motor was expressed in the frequency domain in terms of the secomponents. Using air-gap magnetic permeance functions derived via the conformal mapping method commonly found in the literature, back-EMF and electromagnetic torque were calculated in the time and spatial domains. Based on these calculations and employing a genetic optimization algorithm, the design steps of the axial and variable flux reluctance motor were detailed. Following these design steps, a 1 kW axial and variable flux reluctance motor with a double stator and a single rotor tooth count was designed. It was demonstrated through statics tructural analyses performed in a finite element analysis program that the unbalanced force distribution occurring in the air gap of a single-stator, single-rotor-tooth variable flux reluctance machine can be balanced with a dual-stator structure. Additionally, a prototype of the designed motor was manufactured. Thus, the analytical model and electromagnetic finite element analysis results were validated using the data obtained from prototype motor testing. Subsequently, the performance metrics of a 40 kW axial and variable flux reluctance motor were calculated and compared with those of a commercial interior permanent magnet motor (IPM).