Elektrikli Araçlarda Kullanılan Motorlar ve Özellikleri

Elektrikli araçlarda kullanılan batarya, güç yönetim sistemi kadar elektrik motorları da aracın menzili, performansı ve verimliliği hakkında önemli bir paya sahiptir. Yazımızda motor tiplerinin birbirlerine göre avantaj ve dezavantajlarını inceledik.

A- A+

28.12.2018 tarihli yazı 82621 kez okunmuştur.

Elektrikli araçlarda elektrik motoru depolanan elektrik enerjisini tekerleklere çekiş gücü sağlamak için mekanik enerjiye dönüştürür. Elektrikli araçlarda kullanılan elektrik motorları nedeniyle içten yanmalı araçlara göre %80 oranında enerji tasarrufu sağlanır. Elektrik motoru, benzer boyutlu içten yanmalı motora göre daha hızlı hızlanma ve daha sessiz çalışma özelliklerini sunar. Ayrıca rejeneratif frenleme ile çalışma sırasında aküyü şarj edebilir.

►İlginizi Çekebilir: Elektrikli Araçlar Nasıl Şarj Edilir? | Batarya Şarj Yöntemleri

Elektrikli Araç Motorlarının, Geleneksel Motorlarından Farkı

► Özellikle rejeneratif frenleme durumu için geniş hız-tork aralığındaki yüksek verimlilik, (Verimliliği en üst düzeye çıkarmak önemli zorluklardan biridir)

► Düşük hızlarda yüksek tork (başlangıç veya yokuş tırmanma durumunda) ve yüksek devir hızlarında yüksek güç

► Sabit tork ve güç durumları da dahil olmak üzere geniş çalışma hızı aralığı

► Şehir içi için düşük hız ve otoyol için yüksek hız

► Küçük boyut, küçük hacim, hafiflik, ve yüksek güç

► Hızlı başlatma ve durma

► Hızlı dinamik yanıt

► Yüksek aralıklı aşırı yüklenme kapasitesi (tipik olarak nominal torkun 2 katı)

► Zorlu çalışma koşulları için yüksek güvenirlilik ve sağlamlık

► Mümkün olduğunca düşük bir maliyet ve basit bakım

► Düşük tork dalgalanması, düşük tork sesi ve akustik gürültü

► Minimum soğutma gereksinimleri

► Olgun teknoloji, yapısal bütünlük ve modüler tasarım

► Düşük seviyede elektromanyetik girişim gürültüsü (EMI), minimum toplam harmonik bozulma faktörü

► Su ve toz geçirmeme, darbeye dayanıklılık

Elektrikli araçlarda kullanılan elektrik motorları birbirlerinden maliyet, verimlilik, performans, kontrol edilebilirlik, güvenirlilik konusunda farklılık göstermektedir.

►İlginizi Çekebilir: Elektrik Motorları 1. Bölüm|ElektrikPort Akademi

Elektrikli araçlarda kullanılan bu motorlar aşağıdaki şekilde sıralanabilir:

1. Doğru Akım Motorları (DC Motor)

2. Asenkron Motorlar (ASM, IM - Induction Motor)

3. Anahtarlamalı Relüktans Motorlar (ARM, SRM - Switched Reluctance Motor)

4. Sabit Mıknatıslı Senkron Motorlar (SMSM, PMSM - Permanent Magnet Synchronous Motor)

1. Doğru Akım Motorları

Doğru akım motorları 20. yüzyılın başında elektrikli ulaşımda yaygındı. 1980’li yıllarda ve öncesinde birçok prototip elektrikli araç DC seri motorlar ile yapıldı. Bu motorlar, güç elektroniğindeki teknolojik gelişmelerden önce yaygın olarak kullanılırken gelişmelerden sonra popülaritesini kaybetti. Bu tür motorlar düşük hızlarda yüksek tork, teknolojik olgunluk, sağlamlık ve basit kontrol edilebilirlik, doğrusal tork-hız karakteristiği, düşük tork dalgalanması, CPSR (sabit-güç hız aralığı) ve yüksek hızlarda makul verim gibi özelliklere sahiptir. Doğru akım motorları en basit yapıdadırlar ve doğrudan aracın aküsüne bağlanabilirler. Hız ayarı gerilim değiştirilerek sağlanır ve karmaşık güç elektroniği uygulamalarını gerektirmez. Bu özelliklerinin yanı sıra doğru akım motorlarında önemli birkaç eksik bulunmaktadır;

►İlginizi Çekebilir: Doğru Akım Motorları 1. Bölüm|ElektrikPort Akademi

► Endüvi akımının aktarılması için komütatör ve karbon fırçalar kullanılır. Bu sebeple bakım gerektirir, motorun verimini düşürür ve yüksek hızlar için uygun değildir.

► Komütatör ve fırçala arasındaki sürtünme maksimum motor hızını kısıtlar.

► Düşük güç yoğunluğu, verimlilik ve güvenirlilik eksiği vardır.

► Daha yüksek güç için komütaysan kutupları ve kompanzasyon sargıları gerektirdiğinden maliyet ve boyut artar.

Doğru akım motorlarının tork-hız karakteristikleri uygun nitelikte olmasına rağmen bu dezavantajları nedeniyle, aşırı güç gerektirmeyen küçük uygulamalarda kullanılabilirken elektrikli araçlarda tercih edilmezler.

2. Asenkron Motorlar

Çalışma prensibi indüksiyon motorlarına benzediğinden dolayı asenkron motorlara indüksiyon motorları da denir. Asenkron motorlar rotor yapılarına göre sincap kafesli ve bilezikli olarak ikiye ayrılır. Bilezikli asenkron motorlar sincap kafesli asenkron motorlar ile karşılaştırıldığında;

►İlginizi Çekebilir: Asenkron Motorlar |1. Bölüm

► Veriminin düşük olması

► Bakım ve onarım masraflarının çok olması

► Maliyetinin fazla olması

► Hız regülasyonunun kötü olması gibi dezavantajlarından dolayı elektrikli araçlarda bilezikli asenkron motorlar yerine sincap kafesli asenkron motorlar tercih edilmektedir.

Faz sayılarına göre karşılaştırma yapıldığında ise 3 kW’den fazla güç gerektiren uygulamalarda 3 fazlı asenkron motor kullanılır. Bu nedenle elektrikli araç uygulamalarında da 3 fazlı asenkron motorlar tercih edilir.

►İlginizi Çekebilir: Elektrikli Araç Şarj İstasyonları ve Özellikleri

Asenkron motorun doğru akım motoruna göre avantajları aşağıdaki gibi sıralanabilir;

► Maliyet bakımından daha ucuzdur.

► Daha az bakıma ihtiyaç duyar.

► Momenti yüksektir.

► Daha yüksek güç yoğunluğuna sahiptir.

► Verimi daha yüksektir.

► Frekans değiştirilerek istenilen devir sayısı elde edilebilir.

Asenkron motor basit yapısı, düşük maliyeti, sağlamlığı, yüksek güvenirliliği, kötü ortam koşullarında çalışabilme yeteneği, iyi dinamik performansı ve geniş hız aralığı nedeniyle elektrikli araçlar için iyi bir tercihtir. Asenkron motor esnek akı kontrolünün yanı sıra, verimlilik kontrolü ve rejeneratif frenlemenin kontrolünü sağlar. Asenkron motorda en yüksek verim, yüksek hızlarda ve anma değerinin altındaki tork değerlerinde gözlenir. Çünkü bakır ve çekirdek kayıpları yüksek hızlarda azaltılır. Düşük hızlarda ise yüksek rotor kayıplarına bağlı olarak verim düşer. Asenkron motorların kalıcı mıknatıslı senkron motorlara(KMSM) göre daha basit ve daha ucuz bir açık döngü kontrol stratejisi vardır. Asenkron motorlar KMSM’lere daha düşük maliyetli bir alternatif sunarlar. Ayrıca mıknatıs fiyatlarındaki artışın KMSM fiyatları üzerinde doğrudan etkisi vardır.

Asenkron motorda verim, içsel rotor kaybına bağlı olarak genellikle bir kalıcı mıknatıslı senkron motordan daha düşüktür. Aynı nedenden dolayı, genellikle asenkron motor aynı derecedeki bir KMSM’den daha büyük hacimdedir. Asenkron motorun rotorunda kayıpların sonucu olarak ısı oluşur. Bu ısınma durumu soğutma gerektirir ve aşırı yüklenme kapasitesini kısıtlar. Ayrıca hava aralığı mıknatıslanma akımını azaltmak için mümkün olduğunca küçük olmalıdır. Bu durum üretim maliyetini arttırır. Asenkron motor, KMSM’ye göre düşük güç yoğunluğu, yüksek güçte inverter gereksinimi ve fazla pil kapasitesi gerektirmesi dezavantajlarına sahiptir. Elektrikli araçlarda güç yoğunluğu ve verim çok önemlidir. Bundan dolayı asenkron motorlar elektrikli araçlarda çok tercih edilmezler.(Elektrikli araçta olması istenen özelliklere göre motor seçimleri değişiklik gösterir.)

3. Anahtarlamalı Relüktans Motorlar

Anahtarlamalı relüktans motorları, diğer çok fazlı elektrik motorlara göre son derece basit bir yapıya ve kuruluma sahip motorlardır. Anahtarlamalı relüktans motor, 1838 yılında Davidson tarafından bir lokomotifi hareket ettirmek için İskoçya’da kullanılmaya başlandı. O zamanlar bu motorun kontrol zorluğundan dolayı kullanımı az olsa da günümüzde motor ve sürücü tekniğinin gelişimiyle ARM’lere duyulan ilgi arttı. Anahtarlamalı relüktans motorları, sadece statorunda sargı bulunduran rotorunda sargı ya da kalıcı mıknatıs bulundurmayan basit yapılı motorlardır. Rotorlarında sargı ya da kalıcı mıknatıs bulundurmadıkları için diğer motorlara göre daha yüksek tork değerlerine erişilebilirler ve oldukça yüksek hızlara ulaşabilirler. Motorun düzgün şekilde çalışabilmesi için sürekli bir moment üretilmesi gerekir. Sürekli moment üretilmesi, stator kutbu ile rotor kutup konumunun konum algılayıcılarıyla izlenip uygun faz sırasıyla beslenmesine bağlıdır. Bunun için de güç elektroniği devre elemanlarına ihtiyaç duyulur.

►İlginizi Çekebilir: Anahtarlamalı Manyetik Relüktans Motor

Anahtarlamalı relüktans motor sadeliği, sağlam motor yapısı ve dönüştürücü devresi nedeniyle elektrikli araçlarda tercih edilmektedir. Rotorda mıknatıs ve sargı bulunmaması, basit kontrol, kolay soğutma, yüksek güvenirlik, düşük imalat maliyeti, düşük bakım gerekliliği, hızlı tork tepkisi, son derece hızlı çalışma ve hızlanma özelliklerine sahiptir. Mıknatıslanma olmaması nedeniyle yüksek sıcaklıklarda çalışabilir. Uygun tork-hız karakteristiklerine sahiptir. Sadece statorunda sargı olduğu için soğutma kolaydır. Aahtarlamalı relüktans motor yüksek hız performansı; büyük ölçüde rotor kutup tasarımına, stator ve rotor kutup sayısına bağlıdır.

Anahtarlamalı relüktans motorun önemli dezavantajları şu şekilde sıralanabilir;

► ASM’ye göre verim ve tork düşüktür.

► Özel inverter devresine ihtiyaç duyar.

► Akustik gürültü, titreşim ve tork dalgalanması vardır.

► Manyetik devre doyma eğilimindedir.

► Endüktans ve tork özellikleri yüksek oranda doğrusal değildir.

► Eşdeğer bir kalıcı mıknatıslı senkron motora göre büyük ve ağırdır.

Yukarıda sıralanan dezavantajlar, anahtarlamalı relüktans motorun asenkron motor ve kalıcı mıknatıslı senkron motora göre daha az tercih edilmesine neden olmuştur. Tork-hız karakteristiğinde anahtarlamalı relüktans motorun sabit güç bölgesi uzundur ve verimi diğer motorlara göre iyidir. Bu motorların avantajları ve dezavantajları incelendiğinde elektrikli araçlarda kullanılabilmeleri için üzerinde çalışılması gerekmektedir.

4. Sabit Mıknatıslı Senkron Motorlar

Manyetik alan oluşturmak için sargı kullanmak yerine mıknatısların kullanıldığı motorlardır. Bu sayede motor rotorunda oluşan kayıplar ve motorun bakım gereksinimi azaltılmıştır. Senkron motorlarda rotor devir sayısı döner alan devir sayısına eşittir ve bundan dolayı asenkron motordaki gibi kayma olmamaktadır. Ayrıca bu motorlara uygulanan gerilim de diğer motorlardan farklıdır. Statora alternatif akım uygulanırken rotora doğru akım uygulanmaktadır. Ama bu motorun rotorundaki manyetik alan mıknatıslar tarafından sağlandığından dolayı harici bir doğru akım kaynağına ihtiyaç duymazlar.

►İlginizi Çekebilir: Sürekli Mıknatıs Teknolojisi ve Enerji Verimliliği Açısından Önemi

Elektrikli araçlar için belirli bir tork ve güç değeri için minimum boyut ve ağırlık genellikle Kalıcı mıknatıslı senkron motorlar (SMSM) ile elde edilir. Bundan dolayı KMSM’ler elektrikli araçlarda en çok tercih edilen elektrik motorlarıdır. Yüksek verimlilik, yüksek tork-güç yoğunluğu, yüksek tork atalet oranı, diğer elektrik motorlarına göre daha küçük boyut, hafiflik, düşük gürültü nedeniyle en popüler ticari elektrikli araçlarda kullanılmaktadır. SMSM’de oluşan kayıplar çoğunlukla statorda meydana gelen demir kayıplarıdır. Stator bir soğutma sistemi tarafından kolayca soğutulabildiği için demir kayıpları minimuma indirilir. Bu nedenle güç yoğunluğu ve verimlilik asenkron motora göre daha yüksektir. Bunların yanında, SMSM’de kullanılan nadir toprak elementinin maliyeti ve kaynağın büyük bir kısmının Çin’de bulunması elektrikli araç uygulamaları için bir sorundur.

Mıknatısların Rotordaki Konumuna Göre Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motorlar

SMSM’ler mıknatısların rotora yerleştirilme yerine göre yüzey kalıcı mıknatıslı ve gömülü kalıcı mıknatıslı motorlar olmak üzere iki farklı şekilde bulunmaktadırlar. Mıknatısların yüzeye yerleştirilmesi üretiminin de kolay olmasını sağlamaktadır. Bu motorlarda mıknatıslar rotor yüzeyine yerleştirildiğinden dolayı en yüksek hava aralığı akı yoğunluğuna sahiptirler. Ancak dayanıklılığının az olması nedeniyle motor hızı sınırlıdır. Yüzey mıknatıslı tasarımda gömülü tip olana göre daha fazla mıknatıs malzemesi kullanmak gerekir ve bu da üretim maliyetini arttırır.

►İlginizi Çekebilir: Elektrikli Araçlar İçin Kablosuz Şarj ve Deşarj

Gömülü kalıcı mıknatıslı motorlar dayanıklılığı yüksek motorlardır. Aynı mıknatıs boyutlarına göre kıyaslandığında yüzey mıknatıslı motora göre daha yüksek moment üretmektedir. Aynı momenti üretecek mıknatıs kalınlığı bu motorlarda daha incedir. Bu nedenle yüksek hızlarda yüzey kalıcı mıknatıslı motorlara göre daha elverişlidir. Gömülü kalıcı mıknatıslı motorlarda mıknatısların V-şeklinde yerleştirilmesi ile akı yoğunlaşması mümkün olmaktadır.

Akı Geometrisine Göre Kalıcı Mıknatıslı Senkron Motorlar

Eksenel akılı kalıcı mıknatıslı motorlar, eksenel hava aralığı akı yoğunluğuna sahiptir. Aracın tekerleğine kolayca ve kompakt bir şekilde monte edilebilirler. Jantı mükemmel bir şekilde kavrarlar ve doğrudan tahrik için uygundurlar. Eksenel akılı kalıcı mıknatıslı motorlar radyal akılı olanlara göre daha iyi bir güç yoğunluğuna sahip olduklarından elektrikli araçlar için daha iyi bir tercihtir.

Kaynak:

► Renewable and Sustainable Energy Reviews - Murat Yılmaz

► Comparison and Design of Different Electrical Machine Types - Thomas Finken, Matthias Felden, Kay Hameyer

► Elektrikli Araçlarda Yol Koşullarına Uygun Motor Seçimi Algoritması Geliştirme - Ekrem Başer