Araştırma Makalesi
BibTex RIS Kaynak Göster

Elektrikli Motosiklet İçin Fırçasız Doğru Akım ve Asenkron Motorun Karşılaştırmalı Analizi: Tasarım, Performans ve Optimizasyon

Yıl 2025, Cilt: 15 Sayı: 2, 843 - 864, 15.06.2025

Hakan Kahveci , Furkan Muhammed Kırıkcı , Ömür Akyazı

https://doi.org/10.31466/kfbd.1637494

Öz

Elektrikli motosikletler, fosil yakıtlara olan bağımlılığı ortadan kaldırmada önemli bir adım olmaları nedeniyle literatürde büyük bir öneme sahiptir. Literatürde, asenkron motorlar (ASM) basit tasarımları, düşük üretim maliyetleri ve dayanıklılıklarıyla; fırçasız doğru akım motorlar (FDAM) ise yüksek verimlilik, tork yoğunluğu ve hassas hız kontrol özellikleriyle ön plana çıkmaktadır. FDA motorların, tekerlek içi (hub motor) uygulamalarda kullanılabilmesi elektrikli motosikletlerde güç aktarım organlarına duyulan ihtiyacı ortadan kaldırmaktadır. Özellikle dıştan rotorlu FDA motorlar ise yüksek tork yoğunluğu ve üstün soğutma özellikleri sayesinde literatürde popüler bir araştırma konusu olmaya devam etmektedir. Bu çalışmada, bir elektrikli motosikletin fiziksel kuvvet hesaplamalarına dayalı olarak (2.2-2.3) kW çıkış gücünü sağlayabilecek ASM ile dıştan rotorlu FDAM tasarımları, Sonlu Elemanlar Yöntemi (SEY) kullanan ANSYS Electronics-Maxwell programında gerçekleştirilmiştir. Motorların hız, verim ve tork parametreleri değerlendirilmiş, ayrıca 2D-Maxwell ortamında akı yoğunlukları incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar (%91.14 verim; 50.5 Nm; 11.067 kg), motosiklet uygulamasında FDA motorun üstün olduğunu göstermektedir. Genetik algoritma kullanılarak yapılan optimizasyon ile FDAM’ın istenmeyen Cogging torkunda azalma gerçekleştirilmiştir. Değerlendirme, aynı nüve ve sargı malzemeleri referans alınarak yapılmıştır. Çalışmada, motor tasarım ve optimizasyon yöntemlerinin sunulması literatüre ve uluslararası yarışmalara önemli katkılar sağlamaktadır.

Anahtar Kelimeler

Fırçasız Doğru Akım Motor Asenkron Motor ANSYS Maxwell Optimizasyon Cogging Tork Elektrikli Motosiklet

Kaynakça

  • Akar, M., Eker, M., & Akın, F. (2021). BLDC Motor Design and Application for Light Electric Vehicle. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 21(2), 326-336. https://doi.org/10.35414/akufemubid.889877
  • Apaydın, H., Kara, O., & Serteller, N. F. O. (2022). Investigation of the efficiency improvement on a 1.1 kW three-phase asynchronous motor. Turkish Journal of Electromechanics and Energy, 7(2), 58-66.
  • Aydın, İ., Mengi, O. Ö., & Arslan, S. (2023). Farklı Oluk/Kutup Oranlarına Sahip Sıralı Kutuplu Fırçasız Doğru Akım Motorlarının Analizi. Karadeniz Fen Bilimleri Dergisi, 13(3), 1117-1134. https://doi.org/10.31466/kfbd.1296266
  • Boduroğlu, T. (1953). Elektrik makinaları dersleri:(teori, hesap ve konstrüksiyon). Teknik Üniversite Matbaası.
  • Boduroğlu, T. (1994). Elektrik makinaları dersleri, cilt 2, kısım 3, asenkron makinelerin hesap ve konstrüksiyonu. Beta Basım Yayın Dağıtım A.Ş.
  • Boldea, I. (2020). Induction Machines Handbook: Transients, Control Principles, Design and Testing. CRC press.
  • Buhr Karel, V. P. (2011). Analysis of the electric vehicle with the BLDC PM motor in the wheel body. Prague.
  • Çabuk, A. S., Sağlam, S., & Üstün, Ö. (2019). Farklı sargı yapılarının tekerlek içi fırçasız doğru akım motorlarının verimi üzerindeki etkilerinin incelenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 34(4), 1975-1986. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.571649
  • Dusane, P. M. (2016). Simulation of a brushless DC motor in ANSYS-Maxwell 3D (Master's thesis). Czech Technical University in Prague, Prague.
  • Erdoğan, G., Taşkın, Y., & Tiryaki, H. (2024). HİBRİT ELEKTRİKLİ ARAÇLAR İÇİN DÜŞÜK ÇALIŞMA GERİLİMİNDE İÇ ROTORLU FIRÇASIZ DOĞRU AKIM MOTORU TASARIMI. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik Ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, 32(1), 1243-1256. https://doi.org/10.31796/ogummf.1146133
  • Gecer, B., Tosun, O., Apaydin, H., & Oyman Serteller, N. F. (2021). Comparative analysis of SRM, BLDC and induction motor using ANSYS/Maxwell. 2021 International Conference on Electrical, Computer, Communications and Mechatronics Engineering (ICECCME), 1–6. https://doi.org/10.1109/ICECCME52200.2021.9591010
  • Gieras, J.F. (2009). Permanent Magnet Motor Technology: Design and Applications, Third Edition (3rd ed.). CRC Press. https://doi.org/10.1201/9780429292736
  • Gürdal, O. (2001). Elektrik makinalarının tasarımı. Atlas Yayın Dağıtım.
  • Hanselman, D. (2006). Brushless permananent magnet motor design. Ohio: Magna Physics Publishing.
  • Hendershot, J. R., & Miller, T. J. E. (2010). Design of brushless permanent-magnet motors. Motor Design Books LLC.
  • Hsiao, C. Y., & Htet, S. M. (2024). Multi-Step Design Optimization for the Improvement of an Outer-Rotor Brushless Direct Current Motor. Applied Sciences, 14(10), 4302.
  • Husain, I. (2003). Electric and hybrid vehicles design fundamentals. New York: CRC Press.
  • John, H. (1992). Holland. genetic algorithms. Scientific american, 267(1), 44-50.
  • Long, B., Lim, S. T., Ryu, J. H., & Chong, K. T. (2013). Energy-regenerative braking control of electric vehicles using three-phase brushless direct-current motors. Energies, 7(1), 99-114.
  • Mandasari, D. R., Sudiarto, B., Amelia, L., & Suryandi, A. A. (2024). Reducing Cogging Torque in V-Shaped BLDC Motors: A FEA Simulation Study on the Impact of Skew Angle. Mekanika: Majalah Ilmiah Mekanika, 23(1), 64-74.
  • NAKHAEI, M. R., & ROSHANFEKR, R. (2021). Optimal Design of 3-phase Squirrel Cage Induction Motors Using Genetic Algorithm Based on the Motor Efficiency and Economic Evaluation of the optimal Model. Balkan Journal of Electrical and Computer Engineering, 9(1), 59-68.
  • Nugraha, Y. U., Yuniarto, M. N., Herizal, H., Asfani, D. A., Riawan, D. C., & Wahyudi, M. (2018). Design analysis of axial flux permanent magnet BLDC motor 5 kW for electric scooter application. 2018 International Seminar on Intelligent Technology and Its Applications (ISITIA), 163–168. https://doi.org/10.1109/ISITIA.2018.8711225
  • Nürnberg, W. (1952). Die Asynchronmaschine. SpringEr: Berlin.
  • Ocak, C., & Yenipınar, B. (2021). Hafif Elektrikli Araçlar için Asenkron Motor Tasarımı ve Uygulaması. Avrupa Bilim Ve Teknoloji Dergisi (26), 228-233. https://doi.org/10.31590/ejosat.949092
  • Prakash, T. S. S. S., & Perumallapalli, K. (2024). Performance analysis of an induction motor using Ansys Maxwell RMxprt for various materials (Steel_1010, Ag, Al, Be, Cu, Mg, W, and Zr). 2024 IEEE Students Conference on Engineering and Systems (SCES), 1–4. https://doi.org/10.1109/SCES61914.2024.10652456
  • Pyrhonen, J. (2013). Design of Rotating Electrical Machines (Vol. 1). Wiley-VCH.
  • Tikhonova, O., Malygin, I., & Plastun, A. (2017). Electromagnetic calculation for induction motors of various designs by “ANSYS Maxwell." 2017 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), 1–5. https://doi.org/10.1109/ICIEAM.2017.8076294
  • Toren, M., & Mollahasanoglu, H. (2021). Investigation of thermoelectric cooler system effect on induction motor performance. 2021 17th Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems (ELMA), 1-4. https://doi.org/10.1109/ELMA52514.2021.9503049
  • Tören, M., & Mollahasanoğlu, H. (2023). Investigation of the effect of different power degree NdFeB magnets used in interior permanent magnet brushless direct current motor (IPMBLDC) on motor performance. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 38(3), 1389-1402.
  • URL-1: https://www.unep.org.tr , (Erişim Tarihi: 10 Ocak 2025).
  • URL-2, https://www.youtube.com/watch?v=X2q6YUGuD6U , (Erişim Tarihi: 10 Ocak 2025).
  • Yaşa, Y. (2023). Design of High-Power Density Spoke-Type Interior Permanent Magnet Synchronous Motor for E-Bikes. Mühendislik Bilimleri Ve Araştırmaları Dergisi, 5(2), 264-271. https://doi.org/10.46387/bjesr.1300653

Comparative Analysis of Brushless Direct Current and Induction Motor for Electric Motorcycle: Design, Performance and Optimization

Yıl 2025, Cilt: 15 Sayı: 2, 843 - 864, 15.06.2025

Hakan Kahveci , Furkan Muhammed Kırıkcı , Ömür Akyazı

https://doi.org/10.31466/kfbd.1637494

Öz

Electric motorcycles are significant in the literature as they are an important step in eliminating dependence on fossil fuels. In the literature, asynchronous motors (ASM) stand out with their simple design, low production costs and durability, while brushless direct current motors (BLDC) stand out with their high efficiency, torque density and sensitive speed control characteristics. The ability to use BLDC motors in in-wheel (hub motor) applications eliminates the need for powertrains in electric motorcycles. In particular, external rotor BLDC motors continue to be a popular research topic in the literature due to their high torque density and superior cooling properties. In this paper, based on the physical force calculations of an electric motorcycle, the external rotor BLDC motor designs with ASM which can provide (2.2-2.3) kW output power are carried out in ANSYS Electronics-Maxwell program using Finite Element Method (FEM). The speed, efficiency and torque parameters of the motors are evaluated and the flux densities are analyzed in a 2D-Maxwell platform. The results (%91.14 efficiency; 50.5 Nm; 11.067 kg) obtained show that the BLDC motor is advantageous in the motorcycle application. With the optimization using genetic algorithm, the undesired Cogging torque of the FDAM was reduced. The evaluation is based on the same core and winding materials. The presentation of motor design and optimization methods in this paper makes significant contributions to the literatüre and international challenge.

Anahtar Kelimeler

Brushless Direct Current Motor Asynchronous Motor ANSYS Maxwell Optimization Cogging Torque Electric Motorcycle

Kaynakça

  • Akar, M., Eker, M., & Akın, F. (2021). BLDC Motor Design and Application for Light Electric Vehicle. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 21(2), 326-336. https://doi.org/10.35414/akufemubid.889877
  • Apaydın, H., Kara, O., & Serteller, N. F. O. (2022). Investigation of the efficiency improvement on a 1.1 kW three-phase asynchronous motor. Turkish Journal of Electromechanics and Energy, 7(2), 58-66.
  • Aydın, İ., Mengi, O. Ö., & Arslan, S. (2023). Farklı Oluk/Kutup Oranlarına Sahip Sıralı Kutuplu Fırçasız Doğru Akım Motorlarının Analizi. Karadeniz Fen Bilimleri Dergisi, 13(3), 1117-1134. https://doi.org/10.31466/kfbd.1296266
  • Boduroğlu, T. (1953). Elektrik makinaları dersleri:(teori, hesap ve konstrüksiyon). Teknik Üniversite Matbaası.
  • Boduroğlu, T. (1994). Elektrik makinaları dersleri, cilt 2, kısım 3, asenkron makinelerin hesap ve konstrüksiyonu. Beta Basım Yayın Dağıtım A.Ş.
  • Boldea, I. (2020). Induction Machines Handbook: Transients, Control Principles, Design and Testing. CRC press.
  • Buhr Karel, V. P. (2011). Analysis of the electric vehicle with the BLDC PM motor in the wheel body. Prague.
  • Çabuk, A. S., Sağlam, S., & Üstün, Ö. (2019). Farklı sargı yapılarının tekerlek içi fırçasız doğru akım motorlarının verimi üzerindeki etkilerinin incelenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 34(4), 1975-1986. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.571649
  • Dusane, P. M. (2016). Simulation of a brushless DC motor in ANSYS-Maxwell 3D (Master's thesis). Czech Technical University in Prague, Prague.
  • Erdoğan, G., Taşkın, Y., & Tiryaki, H. (2024). HİBRİT ELEKTRİKLİ ARAÇLAR İÇİN DÜŞÜK ÇALIŞMA GERİLİMİNDE İÇ ROTORLU FIRÇASIZ DOĞRU AKIM MOTORU TASARIMI. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik Ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, 32(1), 1243-1256. https://doi.org/10.31796/ogummf.1146133
  • Gecer, B., Tosun, O., Apaydin, H., & Oyman Serteller, N. F. (2021). Comparative analysis of SRM, BLDC and induction motor using ANSYS/Maxwell. 2021 International Conference on Electrical, Computer, Communications and Mechatronics Engineering (ICECCME), 1–6. https://doi.org/10.1109/ICECCME52200.2021.9591010
  • Gieras, J.F. (2009). Permanent Magnet Motor Technology: Design and Applications, Third Edition (3rd ed.). CRC Press. https://doi.org/10.1201/9780429292736
  • Gürdal, O. (2001). Elektrik makinalarının tasarımı. Atlas Yayın Dağıtım.
  • Hanselman, D. (2006). Brushless permananent magnet motor design. Ohio: Magna Physics Publishing.
  • Hendershot, J. R., & Miller, T. J. E. (2010). Design of brushless permanent-magnet motors. Motor Design Books LLC.
  • Hsiao, C. Y., & Htet, S. M. (2024). Multi-Step Design Optimization for the Improvement of an Outer-Rotor Brushless Direct Current Motor. Applied Sciences, 14(10), 4302.
  • Husain, I. (2003). Electric and hybrid vehicles design fundamentals. New York: CRC Press.
  • John, H. (1992). Holland. genetic algorithms. Scientific american, 267(1), 44-50.
  • Long, B., Lim, S. T., Ryu, J. H., & Chong, K. T. (2013). Energy-regenerative braking control of electric vehicles using three-phase brushless direct-current motors. Energies, 7(1), 99-114.
  • Mandasari, D. R., Sudiarto, B., Amelia, L., & Suryandi, A. A. (2024). Reducing Cogging Torque in V-Shaped BLDC Motors: A FEA Simulation Study on the Impact of Skew Angle. Mekanika: Majalah Ilmiah Mekanika, 23(1), 64-74.
  • NAKHAEI, M. R., & ROSHANFEKR, R. (2021). Optimal Design of 3-phase Squirrel Cage Induction Motors Using Genetic Algorithm Based on the Motor Efficiency and Economic Evaluation of the optimal Model. Balkan Journal of Electrical and Computer Engineering, 9(1), 59-68.
  • Nugraha, Y. U., Yuniarto, M. N., Herizal, H., Asfani, D. A., Riawan, D. C., & Wahyudi, M. (2018). Design analysis of axial flux permanent magnet BLDC motor 5 kW for electric scooter application. 2018 International Seminar on Intelligent Technology and Its Applications (ISITIA), 163–168. https://doi.org/10.1109/ISITIA.2018.8711225
  • Nürnberg, W. (1952). Die Asynchronmaschine. SpringEr: Berlin.
  • Ocak, C., & Yenipınar, B. (2021). Hafif Elektrikli Araçlar için Asenkron Motor Tasarımı ve Uygulaması. Avrupa Bilim Ve Teknoloji Dergisi (26), 228-233. https://doi.org/10.31590/ejosat.949092
  • Prakash, T. S. S. S., & Perumallapalli, K. (2024). Performance analysis of an induction motor using Ansys Maxwell RMxprt for various materials (Steel_1010, Ag, Al, Be, Cu, Mg, W, and Zr). 2024 IEEE Students Conference on Engineering and Systems (SCES), 1–4. https://doi.org/10.1109/SCES61914.2024.10652456
  • Pyrhonen, J. (2013). Design of Rotating Electrical Machines (Vol. 1). Wiley-VCH.
  • Tikhonova, O., Malygin, I., & Plastun, A. (2017). Electromagnetic calculation for induction motors of various designs by “ANSYS Maxwell." 2017 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), 1–5. https://doi.org/10.1109/ICIEAM.2017.8076294
  • Toren, M., & Mollahasanoglu, H. (2021). Investigation of thermoelectric cooler system effect on induction motor performance. 2021 17th Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems (ELMA), 1-4. https://doi.org/10.1109/ELMA52514.2021.9503049
  • Tören, M., & Mollahasanoğlu, H. (2023). Investigation of the effect of different power degree NdFeB magnets used in interior permanent magnet brushless direct current motor (IPMBLDC) on motor performance. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 38(3), 1389-1402.
  • URL-1: https://www.unep.org.tr , (Erişim Tarihi: 10 Ocak 2025).
  • URL-2, https://www.youtube.com/watch?v=X2q6YUGuD6U , (Erişim Tarihi: 10 Ocak 2025).
  • Yaşa, Y. (2023). Design of High-Power Density Spoke-Type Interior Permanent Magnet Synchronous Motor for E-Bikes. Mühendislik Bilimleri Ve Araştırmaları Dergisi, 5(2), 264-271. https://doi.org/10.46387/bjesr.1300653
Toplam 32 adet kaynakça vardır.

Ayrıntılar

Birincil Dil Türkçe
Konular Elektrik Makineleri ve Sürücüler, Mühendislik Elektromanyetiği
Bölüm Makaleler
Yazarlar

Hakan Kahveci 0000-0001-9369-2330

Furkan Muhammed Kırıkcı 0000-0002-7585-9800

Ömür Akyazı 0000-0001-6266-2323

Yayımlanma Tarihi 15 Haziran 2025
Gönderilme Tarihi 11 Şubat 2025
Kabul Tarihi 15 Mayıs 2025
Yayımlandığı Sayı Yıl 2025 Cilt: 15 Sayı: 2

Kaynak Göster

APA Kahveci, H., Kırıkcı, F. M., & Akyazı, Ö. (2025). Elektrikli Motosiklet İçin Fırçasız Doğru Akım ve Asenkron Motorun Karşılaştırmalı Analizi: Tasarım, Performans ve Optimizasyon. Karadeniz Fen Bilimleri Dergisi, 15(2), 843-864. https://doi.org/10.31466/kfbd.1637494
 Kapak Resmi İndir

by-nc-sa.pngThis work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.