Kablo kumandalı direksiyon sistemleri için sürekli mıknatıslı senkron motor tasarımı ve gerçeklemesi

Abstract

Elektrikli direksiyon sistemleri hidrolik sistemler ile kıyaslandığında, özellikle şehir trafiğinde yakıt tüketimi azaltımı ve CO2 emisyonunda azalma sağlamaktadır. Özellikle elektrik motor destekli sistemlerin direksiyonda kullanılmasıyla birçok mekanik parçanın kullanımı ortadan kalkarak ağırlık azaltımı sağlanabilmektedir. Bu sistemin en önemli faydaları; hassas kontrol kabiliyeti, yüksek verim, birçok sürüş seçeneğine imkân sağlama, araç ağırlığının azaltımı, kolay kurulum, programlama, bakım kolaylığı ve araç içi haberleşme kabiliyetinin artmasıdır. Tam otonom araçlara doğru gidilirken haberleşme kabiliyeti, esnekliği ve otonom sürüş senaryolarına uygun bir elektrikli direksiyon sistemin pazarda önemli bir bileşen olması kaçınılmazdır. Bu gerekçelerle tez kapsamında küçük boyutlu, yüksek momentli, yüksek hassasiyetli pozisyon kontrol kabiliyetli, gelişmiş haberleşme kabiliyetlerine sahip ve kendine özgü ara yüzü ile araca ve kullanıcıya özgü limit, fonksiyon ve güvenlik tanımlamasına sahip bir tahrik sistemi geliştirilmiştir. Bu tezde, ana hedefi olan SAE Seviye-4 otonom araç gereksinimlerini karşılayan bir direksiyon tahrik sistemi için 3000 dev/dk, 24-48 V arası nominal gerilimde çalışabilen, 200 W gücünde, 0.5 Nm nominal momente sahip bir bütünleşik sürücülü bir tahrik sistemi geliştirilmiş ve imal edilmiştir. Motor tasarım çalışmalarına kablo kumandalı direksiyon sisteminin gereksinimlerinin incelenmesi ile başlanmıştır. Tez kapsamında sürekli mıknatıslı senkron motorun özellikleri ayrıntılı olarak incelenmiştir. Motorun verimini arttırmak ve üretimini kolaylaştırmak adına konsantrik sargı ile imal edilen motor kullanımına dayanan bir yaklaşım olarak ortaya çıkmıştır. Konsantrik sargılı motorlarda moment üretme kapasitesi yüksek, moment dalgalılığı ise düşüktür. Seçilen motor için farklı boyut ve oluk denemeleri yapılarak, bu modeller için elektromanyetik analizler gerçekleştirilmiştir. Böylece motor boyutları optimize edilmiş ve değişen motor boyutlarının motor üzerindeki etkisi incelenmiştir. RMxprt üzerinden oluşturulan modeller, sonlu elemanlar yöntemini kullanan ANYSYS Maxwell elektromanyetik analiz programına aktarılarak daha güvenilir sonuçların elde edilmesi amaçlanmıştır. Yapılan analizlerin karşılaştırılması sonucunda en uygun tasarım belirlenerek üretim aşamasına geçilmiştir. Özel olarak hazırlanmış bir deney düzeneği üzerinde üretilen motorun yükleme ve ısınma deneyleri gerçekleştirilmiştir. Deney sonuçlarının uygunluğunun belirlenmesinin ardından motor direksiyon sistemine monte edilmiştir. Yapılan gerçek zamanlı testlerde sistemin istenilen performansta ve sorunsuz bir şekilde çalıştığı görülmüştür.

Electric power steering systems provide several advantages compared to hydraulic systems, particularly in city traffic, by reducing fuel consumption and CO2 emissions. The use of electric motor-assisted systems in steering eliminates the need for many mechanical components, resulting in weight reduction. The key benefits of this system include precise control capability, high efficiency, enabling various driving options, reducing vehicle weight, easy installation, programming, maintenance, and improving in-vehicle communication capabilities. As the industry moves towards fully autonomous vehicles, the communication capability, flexibility, and compatibility with autonomous driving scenarios make an electric power steering system an inevitable component in the market. Based on these reasons, within the scope of the thesis, a compact-sized, high-torque, high-precision position control-capable drive system with advanced communication capabilities and a unique interface has been developed. This system is designed to provide customized limits, functions, and safety definitions for the vehicle and the user. In this thesis, an integrated drive system has been developed and manufactured for a steering drive system that meets the requirements of SAE Level-4 autonomous vehicles. The developed system operates at a nominal voltage between 24-48 V and has a power output of 200 W, with a nominal torque of 0.5 Nm, at a rotational speed of 3000 rpm. The motor design work began with an analysis of the requirements of the steer-by-wire system. Firstly, the motor plate values have been determined, and it is decided to design the motor number of poles to meet the high torque demand of the system. Accordingly, the characteristics of the permanent magnet synchronous motor are thoroughly examined. The use of concentric windings emerged as a new approach to increase the efficiency and facilitate production of motor. The selected motor has been designed electromagnetic analysis through various size and slot trials. This allowed for the optimization of motor dimensions and examination of the impact of different motor sizes on performance. Models are created using RMxprt and ANSYS Maxwell electromagnetic analysis program, which utilizes the finite element method, to obtain more reliable results. By comparing the results of the analyses, the most suitable design is determined, and the production phase has been initiated. The motor, produced on a specially prepared experimental setup to loading and heating tests. After confirming the adequacy of the experimental results, the motor is mounted on the steering system. During real-time tests, the system is observed to operate smoothly and meet the desired performance requirements.