Bu araştırma, yeni enerji araçlarında ana tahrik motoru olarak kullanılan V biçimli içten kalıcı mıknatıslı senkron motorlarda (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM) stator ve rotor çekirdeğinde kullanılan yönlendirilmemiş silisyum çeliğin (Non-Oriented Silicon Steel, NOSS) demir kaybı, manyetik akı yoğunluğu ve mekanik dayanımının motor torku, gücü ve verimi üzerindeki etkisini incelemektedir. Çalışmada farklı kalınlıktaki NOSS malzemeleri laboratuvar ortamında manyetik olarak karakterize edilmiş, sonlu eleman modellerinde stator ve rotor özellikleri ayrı ayrı değiştirilmiş ve ultra yüksek akma dayanımlı 25SWYS900 kullanılarak rotor manyetik akı bariyerleri daraltılmıştır. Ana bulgu, düşük demir kaybının verim üzerindeki etkisinin esas olarak stator üzerinden ortaya çıktığı; rotor için ise düşük demir kaybından çok mekanik dayanım ve uygun manyetik özelliklerin kritik olduğudur. Ultra yüksek dayanımlı rotor malzemesiyle akı bariyeri küçültüldüğünde simülasyonda maksimum tork 220,5 Nm'den 240,7 Nm'ye ve maksimum güç 155 kW'dan 169,1 kW'a çıkmış; prototipte 7500 rpm ve 230 A koşulunda bariyer genişliğinin 2,0 mm'den 0,5 mm'ye azaltılması torku 154,69 Nm'den 165,21 Nm'ye yükseltmiştir. Bununla birlikte sonuçlar belirli V biçimli IPMSM geometrilerine ve incelenen NOSS sınıflarına aittir; farklı motor topolojilerine doğrudan genellenemez.

Çalışmanın malzeme seçimi açısından en önemli sonucu, “her yerde en ince veya en güçlü silisyum çeliği kullanmak” biçiminde tek yönlü bir tasarım kuralı önermemesidir. Stator tarafında özellikle yüksek hız ve yüksek elektriksel frekansta düşük demir kayıplı, ince NOSS avantaj sağlarken; düşük hızlarda 0,10 veya 0,20 mm gibi çok ince sacların avantajı sınırlı kalabilmektedir. Rotor tarafında ise araştırmanın simülasyonları, malzemenin demir kaybı çok büyük ölçüde değişse bile motorun genel performansının çok az değiştiğini göstermektedir.

Manyetik akı yoğunluğu açısından motor, küçük malzeme farklarına düşük duyarlılık göstermiştir. Örneğin \(B_{5000}\) ve doygunluk akı yoğunluğundaki yaklaşık %1'lik fark motor torkunda yalnız yaklaşık %0,77 fark oluşturmuştur. Buna karşılık orta ve düşük manyetik alan bölgesindeki \(B_{5000}\) değerinin %6,6 değişmesi, doygunluk akı yoğunluğu hemen hemen aynı kalmasına rağmen torkta yaklaşık %4,3 değişimle birlikte görülmüştür. Araştırmacılar bu nedenle yalnız doygunluk akı yoğunluğuna bakmanın yeterli olmadığını, çalışma bölgesindeki mıknatıslanma karakteristiğinin de değerlendirilmesi gerektiğini göstermektedir.

Ultra yüksek dayanımlı 25SWYS900'ün temel avantajı doğrudan düşük kayıp sağlaması değildir. Aksine çalışma, bu malzemenin demir kaybı ve manyetik akı yoğunluğu açısından bazı dezavantajları bulunduğunu göstermektedir. Asıl avantaj, yaklaşık 900 MPa garantili akma dayanımının rotor akı bariyerlerinin daha dar tasarlanmasına izin vermesidir. Daha dar bariyer, kalıcı mıknatısın kaçak akısını azaltarak etkin manyetik akıyı yükseltmekte ve böylece tork ile güç artışına olanak tanımaktadır. Bu nedenle araştırmacılar 25SWYS900'ü statorda değil, rotorda seçici biçimde kullanmayı önermektedir.

Türkiye açısından anlamı: Elektrikli araç tahrik motorları, yüksek hızlı endüstriyel motorlar veya benzer IPMSM tasarımlarında çekirdek malzemesinin yalnız tek bir katalog parametresiyle seçilmemesi gerektiğini gösteren bu yaklaşım Türkiye'deki motor tasarım ve yerlileştirme çalışmalarına uyarlanabilir. Ancak 0,10 mm sacın, 25SWYS900'ün veya çalışmadaki belirli bariyer genişliklerinin başka bir motora doğrudan aktarılması doğru değildir. Yerel malzemelerin B-H, demir kaybı, akma dayanımı, sıcaklık davranışı, üretimden kaynaklanan kenar hasarı ve maliyeti; gerçek motor geometrisi ve görev çevrimiyle birlikte yeniden test edilmelidir.

Araştırmanın temel sorusu nedir?

IPMSM performansı yalnız elektromanyetik geometriye bağlı değildir. Stator ve rotor paketlerini oluşturan elektrik çeliğinin kayıp, mıknatıslanma ve mekanik dayanım özellikleri de aynı motorun verim, tork, güç yoğunluğu ve yüksek hızlı güvenliğini değiştirebilir.

Araştırma üç ana soruyu birbirinden ayırarak ele almaktadır:

1. NOSS demir kaybının azalması motor performansını ne kadar artırır ve bu etki esas olarak statordan mı, rotordan mı gelir?
2. NOSS'un manyetik akı yoğunluğu karakteristiği, özellikle \(B_{5000}\) ve \(B_s\), tork ve verimi nasıl etkiler?
3. Çok yüksek akma dayanımlı NOSS kullanmak, rotor manyetik akı bariyerlerini güvenli biçimde küçülterek elektromanyetik performansı artırabilir mi?

Bu ayrım önemlidir; çünkü “en düşük kayıplı”, “en yüksek akı yoğunluklu” ve “en dayanıklı” malzeme aynı malzeme olmak zorunda değildir. Çalışma, stator ve rotorun farklı görevleri nedeniyle malzeme seçiminin de farklılaştırılması gerektiğini göstermeye çalışmaktadır.

Demir kaybı hangi bileşenlerden oluşuyor?

Araştırmada NOSS toplam kaybı üç bileşene ayrılmaktadır:

\[ p_{\mathrm{total}} = p_h + p_c + p_e \]

Histerezis kaybı:

\[ p_h = k_h f B_m^2 \]

Fuko/eddy current kaybı:

\[ p_c = \frac{\pi^2 f^2 B_m^2 t^2} {6\rho\gamma} \]

ve ek kayıp:

\[ p_e = K_e f^{1.5} B_m^{1.5} \]

olarak verilmektedir. Burada \(f\) frekans, \(B_m\) manyetik akı yoğunluğu genliği ve \(t\) sac kalınlığıdır. Eddy current kaybındaki \(t^2\) terimi, sac kalınlığının özellikle yüksek frekansta neden kritik olduğunu göstermektedir.

Sacın inceltilmesi eddy current yolunu kısaltarak bu kaybı düşürür. Ancak çalışma, düşük frekansta toplam kaybın zaten büyük ölçüde histerezis davranışı tarafından belirlenebildiğini; dolayısıyla daha ince sacın her çalışma noktasında aynı avantajı vermediğini göstermektedir.

İlk IPMSM modeli hangi özelliklere sahip?

NOSS kalınlığı ve demir kaybı çalışmalarında kullanılan V biçimli IPMSM'nin temel özellikleri şöyledir:

Karşılaştırılan üç sac:

• 0,10 mm: ESW8517,
• 0,20 mm: 20SW1200,
• 0,30 mm: 30SW1500.

Malzemelerin B-P ve B-H karakteristikleri ayrı ayrı motor modeline atanarak aynı geometri üzerinde farklı çekirdek malzemelerinin etkisi hesaplanmıştır.

Malzemelerin manyetik özellikleri nasıl ölçüldü?

Üç NOSS malzemesi Epstein çerçevesi yöntemiyle ve BROCKHAUS manyetik özellik ölçüm cihazıyla test edilmiştir. Deney düzeneğinde numunenin sıcaklığı izlenmiş ve numune sıcaklığı 60 °C'ye ulaştığında test otomatik olarak sonlandırılmıştır.

Çalışmada 50, 100, 200, 400 ve 1000 Hz için gösterilen kayıp eğrileri, frekans arttıkça ince sacın avantajının belirginleştiğini göstermektedir. Düşük frekansta ise 0,20 mm sacın 0,30 mm'ye karşı açık bir üstünlüğü oluşmamış; araştırmacılar bunu düşük eddy current payı ve işleme kaynaklı artık gerilmelerin histerezis kaybını artırabilmesiyle ilişkilendirmiştir.

İnce NOSS motor verimini ne kadar değiştirdi?

Stator ve rotorun ikisinde de aynı kalınlıktaki malzemenin kullanıldığı simülasyonda sac inceldikçe maksimum ve ortalama verim sınırlı fakat tutarlı biçimde yükselmiş; yüksek verim bölgesinin genişliği ise daha belirgin değişmiştir.

İnce sac her hızda daha mı iyi?

Hayır. Çalışmanın önemli sonuçlarından biri budur. Yaklaşık 2000 rpm ve altındaki düşük hız bölgesinde, yani elektriksel frekansın yaklaşık 100 Hz ve altında olduğu koşullarda 0,10 ve 0,20 mm sacların çekirdek kaybı avantajı sınırlıdır. Bazı koşullarda 0,20 mm malzemenin kaybı 0,30 mm malzemeden bile daha yüksek hesaplanmıştır.

Hız 20.000 rpm'ye doğru yükseldikçe eddy current bileşeni büyüdüğü için ince sacların çekirdek kaybı ve verim avantajı belirginleşmektedir. Dolayısıyla çalışma, düşük hızlı bir motor için maliyeti yüksek çok ince sacı otomatik olarak seçmeyi desteklememektedir.

Demir kaybı açısından stator ile rotor aynı derecede önemli mi?

Araştırmacılar bunu ayırabilmek için rotor üzerinde çok farklı demir kaybına sahip dört malzeme verisini karşılaştırmıştır: 0,10 mm, 0,20 mm, 0,30 mm NOSS ve kaybı belirgin şekilde daha yüksek 25SWYS900.

Stator özellikleri sabit tutulup yalnız rotorun kayıp karakteristiği değiştirildiğinde maksimum tork yaklaşık 216,17–216,23 Nm, ortalama verim ise %89,68–%89,72 arasında kalmıştır. Motor verim eğrileri neredeyse çakışmıştır.

Bu sonuç çalışmanın önemli malzeme seçim ilkesini ortaya koymaktadır: NOSS demir kaybının motor verimine büyük etkisi esas olarak stator çekirdeği üzerinden oluşmaktadır. Bu nedenle statorda düşük kayıp özellikle önemlidir; rotor malzemesinde ise düşük kayıp özelliğinin tek başına önceliklendirilmesi gerekli değildir.

Neden rotor kaybının etkisi daha küçük çıktı?

Çalışma bunu geniş teorik bir rotor kaybı modeliyle ayrı ayrı parçalamamakta; sonucu sonlu eleman karşılaştırmaları üzerinden göstermektedir. Aynı motor modelinde rotor malzemesinin kayıp verileri ciddi biçimde değiştirilmesine rağmen toplam motor torku ve verimi çok az değişmiştir.

Bu nedenle “rotor kaybı sıfırdır” veya “rotor malzemesinin manyetik özellikleri önemsizdir” sonucu çıkarılamaz. Kaynak yalnızca incelenen IPMSM'de rotor NOSS'unun demir kaybı karakteristiğine motor performansının düşük hassasiyet gösterdiğini desteklemektedir.

Manyetik akı yoğunluğu için hangi malzemeler karşılaştırıldı?

Araştırmanın ikinci aşamasında üç NOSS sınıfı seçilmiştir:

• 30SW1500,
• 30SWH1500,
• 25SWYS900.

30SW1500 için \(B_{5000}=1,66\) T ve \(B_s=2,08\) T verilmiştir. 30SWH1500'de bu değerler sırasıyla 1,68 T ve 2,11 T'dir. Buna karşılık 25SWYS900 için \(B_{5000}=1,55\) T ve \(B_s=2,07\) T raporlanmıştır.

\(B_{5000}\), malzemenin 5000 A/m manyetik alan şiddetindeki manyetik akı yoğunluğudur. \(B_s\) ise çalışmada 85.000 A/m civarındaki yüksek alan bölgesinde verilen doygunluğa yakın akı yoğunluğunu temsil etmektedir.

Yaklaşık %1'lik manyetik özellik farkı motoru ne kadar etkiledi?

30SW1500 ve 30SWH1500 stator ve rotorun ikisinde de kullanıldığında \(B_{5000}\) ve \(B_s\) değerleri arasında yaklaşık %1 mertebesinde fark bulunmasına rağmen motorların maksimum ve ortalama verimleri neredeyse aynı kalmıştır. Maksimum tork 220,5 Nm'den 222,2 Nm'ye değişmiş; kaynak bunu yaklaşık %0,77 tork farkı olarak değerlendirmiştir.

Bu sonuç motorun küçük manyetik akı yoğunluğu farklılıklarına yüksek hassasiyet göstermediğini desteklemektedir.

B₅₀₀₀ farkı büyüdüğünde ne oldu?

30SW1500 ile 25SWYS900 karşılaştırmasında \(B_s\) yalnız yaklaşık %0,48 farklıyken \(B_{5000}\) yaklaşık %6,6 daha düşüktür. Her iki malzeme hem stator hem rotorda kullanıldığında maksimum tork 220,5 Nm'den 211,5 Nm'ye düşmüş; kaynak bu farkı yaklaşık %4,3 olarak raporlamıştır.

Bu bulgu, motor tasarımında yalnız doygunluk akı yoğunluğuna bakmanın yeterli olmayabileceğini göstermektedir. Orta-düşük manyetik alan bölgesindeki mıknatıslanma karakteristiği de gerçek çalışma torkunu etkileyebilir.

Manyetik akı yoğunluğunda stator mu rotor mu daha etkili?

Yedi stator–rotor kombinasyonunun karşılaştırıldığı simülasyonlarda her iki çekirdeğin manyetik özellikleri torku etkilemiştir. Ancak çalışma, tork–\(B_{5000}\) eğimlerinin karşılaştırmasına dayanarak stator malzemesindeki manyetik akı yoğunluğu değişiminin rotor malzemesindeki aynı değişimden daha güçlü etki oluşturduğunu bildirmektedir.

Böylece stator malzemesi iki açıdan öne çıkmaktadır: hem düşük demir kaybı hem de uygun manyetik akı yoğunluğu motor performansında belirleyici olmaktadır.

Ultra yüksek dayanımlı rotor malzemesine neden ihtiyaç duyuluyor?

V biçimli IPMSM rotorunda mıknatısların çevresinde manyetik akı bariyerleri bulunur. Bu bariyerler mümkün olduğunca dar olduğunda kalıcı mıknatıstan geçen kaçak akı azaltılabilir. Ancak rotor yüksek hızda döndüğünde bariyer bölgeleri yüksek merkezkaç gerilmesine maruz kalır.

Çalışmanın mekanik modeli, bariyer genişliği azaldıkça gerilmenin hızla yükseldiğini; aynı şekilde rotor hızı 10.000 rpm'den 18.000 rpm'ye çıkarken merkezkaç gerilmesinin de ciddi şekilde arttığını göstermektedir.

Bu nedenle elektromanyetik tasarımın istediği “dar bariyer” ile mekanik güvenliğin istediği “yeterli kesit alanı” arasında doğrudan bir tasarım çatışması vardır.

25SWYS900 mekanik açıdan ne sağlıyor?

Karşılaştırmada geleneksel 30SW1500 için garantili akma dayanımı 420 MPa, 25SWYS900 için ise 900 MPa olarak verilmiştir. Her iki malzemede de 150 °C'deki akma dayanımı düşüşünün 20 °C'ye göre 90 MPa içinde kaldığı belirtilmektedir.

Çalışma yüksek sıcaklık ve üretim/overspeed belirsizliklerini hesaba katmak için 1,2 emniyet katsayısı kullanmaktadır:

\[ F = \frac{R_{p0.2}-90} {1.2} \]

Burada \(F\) rotor bariyerinin izin verilen maksimum merkezkaç gerilmesi, \(R_{p0.2}\) ise malzemenin 20 °C'deki garantili akma dayanımıdır.

Buna göre yaklaşık izin verilen değerler:

• 30SW1500: 275 MPa,
• 25SWYS900: 675 MPa.

olarak hesaplanmıştır.

Daha yüksek dayanım bariyer geometrisini ne kadar değiştirdi?

Kaynağın tasarımında geleneksel malzemede üç kritik manyetik bariyer genişliği:

2,4 mm / 2,0 mm / 2,0 mm

olarak kullanılırken, 25SWYS900 ile:

1,0 mm / 0,9 mm / 0,9 mm

düzeyine indirilebilmiştir.

Sonlu eleman gerilme sonuçlarında 30SW1500 tasarımının maksimum değeri 275,58 MPa, 25SWYS900'lü dar bariyer tasarımının değeri ise 666,95 MPa'dır. İkinci sayı çok daha yüksek olsa da malzemenin izin verilen dayanım sınırı da çok daha yüksektir.

Ultra yüksek dayanımlı malzemenin gerçek kazancı malzemenin kendisinden mi geliyor?

Çalışmanın önemli ayrımlarından biri budur. Aynı geniş bariyer geometrisinde 30SW1500 rotor yerine 25SWYS900 rotor kullanıldığında tork biraz azalmakta ve motor performansı büyük ölçüde aynı kalmaktadır. Dolayısıyla yüksek dayanımlı malzeme yalnızca “daha iyi manyetik malzeme” olduğu için avantaj sağlamamaktadır.

Asıl kazanç, yüksek mekanik dayanımın rotor geometrisinin yeniden optimize edilmesine izin vermesidir. Bariyer küçültüldüğünde kaçak akı azalır, D ekseni akı bağlantısı yükselir ve elektromanyetik performans artar.

Neden 25SWYS900 statorda önerilmiyor?

25SWYS900 hem statorda hem rotorda kullanıldığında maksimum güç 169,1 kW düzeyinde kalsa da maksimum verim %97,23'ten %96,43'e, ortalama verim %89,58'den %88,63'e düşmektedir. %97 veya üzeri yüksek verim bölgesinin oranı da Şema 3'te %6,21 iken Şema 4'te sıfıra inmektedir.

Araştırmacılar bunu 25SWYS900'ün mekanik dayanım avantajına karşılık demir kaybı ve manyetik akı yoğunluğu özelliklerinin stator açısından daha elverişsiz olmasıyla ilişkilendirmektedir.

Sonuç olarak önerilen malzeme mantığı:

Prototipler nasıl test edildi?

Yüksek dayanım ve akı bariyeri hipotezini deneysel olarak değerlendirmek için dört prototip üretilmiştir. İki prototipte özellikle hızlı deformasyon veya kırılma davranışı gözlenebilmesi amacıyla dış akı bariyerleri 0,5 mm'ye kadar işlenmiştir.

17.750 rpm testinin sonucu neydi?

Yüksek hızlı mekanik test 8000 rpm'den başlatılmış ve 17.000 rpm'ye kadar her 1000 rpm artış için 30 dakika çalıştırılmıştır. Daha sonra kritik bölgeye yaklaşılırken hız 250 rpm'lik adımlarla artırılmıştır.

Kaynağın Tablo 7–8, Şekil 19 ve takip eden açıklaması birlikte değerlendirildiğinde 0,5 mm bariyerli geleneksel 30SW1500 rotorun, yani Scheme 4'ün, 17.750 rpm'de plastik deformasyon gösterdiği; aynı dar bariyere sahip 25SWYS900 rotorlu Scheme 3'te görünür boyutsal değişim oluşmadığı anlaşılmaktadır.

Deforme olan rotorun ortalama çap değişimi ön ve arka uçlarda sırasıyla yaklaşık %0,82 ve %0,81 olarak raporlanmıştır.

FEM'de Scheme 4 rotorunun 17.750 rpm'deki maksimum merkezkaç gerilmesi 489,95 MPa ile dış akı bariyeri 3 bölgesinde ortaya çıkmıştır. Hesaplanan maksimum iki taraflı deformasyon 0,96 mm, deneysel ölçüm ise yaklaşık 1,03 mm'dir. Kaynak iki değer arasındaki sapmayı %7,3 olarak raporlamaktadır.

Elektromanyetik prototip testi simülasyonu doğruladı mı?

Dört prototipin elektromanyetik performans karşılaştırması 7500 rpm ve 230 A koşulunda gerçekleştirilmiştir.

Aynı 2,0 mm bariyer geometrisinde rotor malzemesinin 30SW1500'den 25SWYS900'e değiştirilmesi tork ve verimi pratik olarak değiştirmemiştir. Bu, yüksek dayanımlı malzemenin yalnız başına elektromanyetik kazanç sağlamadığı yönündeki simülasyon sonucuyla uyumludur.

25SWYS900 sayesinde dış bariyerler 0,5 mm'ye daraltıldığında ise tork 154,69 Nm'den 165,21 Nm'ye yükselmiştir. Kaynak bunu %6,8 artış olarak vermektedir. Verim de %94,59'dan %94,89'a çıkmıştır.

Çalışmanın söylediği nedir?

• İnce NOSS özellikle yüksek hızlı ve yüksek frekanslı bölgelerde IPMSM demir kaybını azaltabilir.
• Düşük kayıplı malzemenin motor verimine etkisi esas olarak stator üzerinden gerçekleşir.
• Rotor NOSS'unun demir kaybı karakteristiğindeki büyük farklar incelenen modelde motor genel performansını çok az değiştirmiştir.
• Stator ve rotorun manyetik akı yoğunluğu torku etkiler; statorun etkisi daha büyüktür.
• Küçük B-H farklılıkları motor performansını çok az değiştirebilir; daha büyük \(B_{5000}\) farkları tork üzerinde görünür etki yaratabilir.
• Ultra yüksek akma dayanımlı NOSS, rotor bariyerlerinin küçültülmesine izin vererek kaçak akıyı azaltabilir ve tork/güç yoğunluğunu artırabilir.
• 25SWYS900'ün güçlü yönü rotor mekanik dayanımıdır; çalışma bu malzemeyi statorda önermemektedir.

Çalışmanın söylemediği nedir?

• 0,10 mm NOSS'un bütün IPMSM'lerde ekonomik veya teknik olarak en iyi seçim olduğu gösterilmemiştir.
• 25SWYS900'ün bütün rotor geometrilerinde aynı tork artışını sağlayacağı kanıtlanmamıştır.
• Rotor demir kaybının bütün motor tiplerinde önemsiz olduğu sonucu çıkarılamaz.
• 17.750 rpm sonucunun farklı rotor çapları veya bariyer geometrilerine doğrudan taşınabileceği gösterilmemiştir.
• Farklı üreticilerin eşdeğer nominal özellikteki elektrik çeliklerinin aynı davranacağı doğrulanmamıştır.
• Uzun süreli yorulma, milyonlarca devirlik ömür, termal çevrim ve seri üretim toleranslarına ilişkin kapsamlı dayanıklılık doğrulaması sunulmamıştır.
• Çalışma malzeme maliyetlerini parasal olarak karşılaştırmamaktadır; yalnız çok ince sacın maliyetinin yüksek olabileceğini belirtmektedir.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Çalışmanın deney–simülasyon zinciri

1. 0,10, 0,20 ve 0,30 mm NOSS numunelerinin Epstein çerçevesi ve BROCKHAUS sistemiyle manyetik özelliklerinin ölçülmesi.
2. B-P ve B-H verilerinin 210 mm stator dış çaplı V biçimli IPMSM sonlu eleman modeline aktarılması.
3. Farklı hız ve yük koşullarında çekirdek kaybı, verim ve yüksek verim bölgesinin karşılaştırılması.
4. Stator özellikleri sabit tutularak yalnız rotor kayıp verilerinin değiştirilmesi ve rotor kayıp hassasiyetinin değerlendirilmesi.
5. 30SW1500, 30SWH1500 ve 25SWYS900 B-H eğrilerinin karşılaştırılması.
6. Yedi farklı stator–rotor manyetik özellik kombinasyonunun simüle edilmesi.
7. Stator ve rotor manyetik özelliklerinin tork üzerindeki göreli etkisinin belirlenmesi.
8. 128 mm stator dış çaplı V biçimli rotor modeli üzerinde bariyer genişliği–merkezkaç gerilmesi ilişkisinin hesaplanması.
9. 30SW1500 ve 25SWYS900 için 20 °C ve 150 °C mekanik özelliklerinin karşılaştırılması.
10. 1,2 güvenlik katsayısıyla izin verilen rotor bariyer gerilmelerinin hesaplanması.
11. 25SWYS900 ile dar bariyerli rotor geometrisinin tasarlanması ve elektromanyetik performansının simülasyonu.
12. 30SW1500 ve 25SWYS900 rotorlu prototiplerin yüksek hızlı mekanik ve elektromanyetik testlerle doğrulanması.

Kalınlık karşılaştırmasının ana sonuçları

Bu tablo, tepe verimdeki farkın yalnız 0,3 yüzde puanı olmasına karşılık çok yüksek verimle çalışılabilen hız–tork alanının daha belirgin genişlediğini göstermektedir.

Rotor kaybı hassasiyeti

Dört farklı rotor kayıp karakteristiğinde:

• maksimum tork yaklaşık 216,17–216,23 Nm,
• ortalama tork yaklaşık 87,44–87,49 Nm,
• maksimum verim yaklaşık %97,23–%97,26,
• ortalama verim yaklaşık %89,68–%89,72

aralığında kalmıştır. Kaynak bu yakınlığı rotor demir kaybı karakteristiğine düşük performans hassasiyeti olarak yorumlamaktadır.

Manyetik akı yoğunluğu kombinasyonları

A–A13 karşılaştırması küçük manyetik özellik farklarına düşük hassasiyeti, A–A23 karşılaştırması ise daha büyük \(B_{5000}\) farklarının tork üzerindeki etkisini göstermektedir.

Ultra yüksek dayanımlı rotor tasarımının sayısal sonucu

25SWYS900 ile bariyerlerin 1,0/0,9/0,9 mm'ye daraltıldığı Şema 3, temel Şema 1'e göre:

• maksimum torkta %9,2 artış,
• maksimum güçte %9,1 artış,
• ≥%97 verim bölgesinde %2,08'den %6,21'e yükselme

sağlamıştır.

Buna karşılık 25SWYS900'ün statorda da kullanıldığı Şema 4'te maksimum verim %96,43'e ve ortalama verim %88,63'e gerilemiştir. Bu nedenle araştırmacıların nihai malzeme önerisi, düşük kayıplı malzemeyi statorda ve ultra yüksek dayanımlı malzemeyi yalnız rotorda kullanmaktır.

Yüksek hızlı mekanik doğrulama

Dar bariyerli 30SW1500 ve 25SWYS900 rotorları karşılaştıran test:

• 8000 rpm'de başlamış,
• 17.000 rpm'ye kadar 1000 rpm / 30 dakika adımlarıyla ilerlemiş,
• daha sonra 250 rpm / 30 dakika artışlarla devam etmiş,
• 17.750 rpm'de geleneksel malzemeli dar bariyerli rotorun plastik deformasyonuyla sonuçlanmıştır.

Kaynakta bu deneyin prototip numaralandırmasını anlatan bir cümlede çelişki bulunduğu için sonuç, Tablo 7–8, Şekil 19 ve takip eden açıklamaların birlikte gösterdiği Scheme 4/30SW1500 yorumu esas alınarak aktarılmıştır.

Simülasyon–deney deformasyon karşılaştırması

Bu yakınlık araştırmacılar tarafından rotor mekanik FEM modelinin deneysel davranışı makul düzeyde temsil ettiğinin kanıtı olarak değerlendirilmiştir.

7500 rpm elektromanyetik doğrulama

7500 rpm ve 230 A'deki prototip testinde aynı bariyer geometrisinde 30SW1500 ve 25SWYS900 rotorların performansı neredeyse aynıdır. Dar bariyerli 25SWYS900 rotor ise torku yaklaşık %6,8 yükseltmiştir. Bu bulgu, performans artışının malzemenin doğrudan elektromanyetik üstünlüğünden ziyade yüksek dayanım sayesinde mümkün olan rotor geometrisi değişikliğinden kaynaklandığı yorumunu desteklemektedir.

Bilimsel sınırlılıklar

Çalışmada kullanılan motor geometrisi bütün bölümlerde aynı değildir. Demir kaybı ve manyetik akı yoğunluğu çalışmalarında 210 mm stator dış çaplı, 100 mm paket boylu ve 20.000 rpm maksimum hızlı IPMSM kullanılırken, ultra yüksek dayanımlı rotor incelemesinde 128 mm stator dış çapına sahip başka bir V biçimli model esas alınmıştır. Bu nedenle iki bölümdeki bütün mutlak sayısal değerler tek bir motora aitmiş gibi birleştirilmemelidir.

Malzeme ve prototip performans tablolarında kapsamlı istatistiksel belirsizlik, tekrarlı test dağılımı veya hata çubuğu sunulmamaktadır. Sonuçlar ölçülen ve simüle edilen belirli çalışma noktalarına dayanmaktadır.

Yüksek hızlı prototip testi plastik deformasyon davranışını göstermektedir; ancak uzun süreli yorulma ömrü, termal çevrim, seri üretim toleransı, kaynak/kenar hasarının dağılımı ve milyonlarca mekanik çevrim sonunda rotor dayanımı incelenmemiştir.

Malzemelerin maliyet farkı nicel olarak verilmemiştir. Kaynak 0,10 mm NOSS'un yüksek maliyetli olduğunu belirtmekte, ancak parasal maliyet veya yaşam döngüsü maliyeti sunmamaktadır.

25SWYS900 üreticisi olan Shougang Zhixin Electromagnetic Material şirketiyle iki yazarın kurumsal bağlantısı kaynakta açık biçimde beyan edilmiştir. Çalışmada çıkar çatışması bulunmadığı yönünde yazar beyanı mevcuttur.

Kaynak ve Yöntem Notu

Tam özgün çalışma adı: The Influence of Non-Oriented Silicon Steel Core Material on Motor Performance

Yazarlar, kaynak sırasıyla: Guanglin Li; Jing Zhao; Xiaoqing Guan; Zhizhou Chen; Bin Wang.

Eş katkı/eş birinci yazar: Kaynakta eş katkı veya eş birinci yazarlık bildirimi bulunmamaktadır.

Sorumlu yazar: Guanglin Li.

Kurumlar: School of Automation, Beijing Institute of Technology, Beijing, China; Shougang Zhixin Electromagnetic Material (Qian’an) Co., Ltd., Tangshan, China; Department of Intelligent Control, Yantai Engineering & Technology College, Yantai, China.

Dergi: Machines.

Yayınevi: MDPI, Basel, Switzerland.

Yayın kimliği: Machines 2026, 14(5), 538.

DOI: 10.3390/machines14050538.

Resmî bağlantı:https://doi.org/10.3390/machines14050538

Alınma / revizyon / kabul / yayın: 15 Nisan 2026 / 5 Mayıs 2026 / 9 Mayıs 2026 / 11 Mayıs 2026.

Kaynak türü ve hakemlik durumu: Machines dergisinde yayımlanmış hakemli araştırma makalesi.

Lisans: Creative Commons Attribution (CC BY). Telif hakkı © 2026 yazarlara aittir.

Finansman: Araştırmanın dış finansman almadığı belirtilmiştir.

Veri erişilebilirliği: Veri setlerinin teknik ve zaman kısıtları nedeniyle doğrudan erişilebilir olmadığı, erişim taleplerinin sorumlu yazara yöneltilebileceği belirtilmektedir.

Çıkar çatışması: Guanglin Li ve Bin Wang'ın Shougang Zhixin Electromagnetic Material (Qian’an) Co., Ltd. çalışanı olduğu belirtilmiştir. Yazarlar araştırmayı uygunsuz şekilde etkileyebilecek ticari veya mali ilişki bulunmadığını beyan etmektedir.

Yazar katkıları: Kavramsallaştırma Guanglin Li ve Jing Zhao; metodoloji Guanglin Li; yazılım Guanglin Li ve Xiaoqing Guan; doğrulama Guanglin Li, Jing Zhao ve Xiaoqing Guan; araştırma Guanglin Li ve Zhizhou Chen; kaynaklar Bin Wang; veri düzenleme Zhizhou Chen ve Xiaoqing Guan; ilk taslak Guanglin Li; inceleme ve düzenleme Xiaoqing Guan; görselleştirme Xiaoqing Guan tarafından yürütülmüştür.

Yapay zekâ kullanım beyanı: Teşekkür bölümünde, İngilizce yazımı iyileştirmek ve dil bilgisi hatalarını azaltmak amacıyla metnin bir bölümünün DeepSeek V3.2 ile dil açısından düzenlendiği; yazarların çıktıyı gözden geçirip düzenlediği ve yayın içeriğinin sorumluluğunu üstlendiği belirtilmektedir.

Kaynak içi tutarsızlık notu 1: Yüksek hızlı prototip testi bölümünde bir cümle 17.750 rpm'de Scheme 3 rotorunun plastik deformasyon gösterdiğini söyledikten hemen sonra yine Scheme 3 için görünür değişiklik olmadığını belirtmektedir. Tablo 7'ye göre Scheme 3, 25SWYS900 rotorlu; Scheme 4 ise 30SW1500 rotorlu 0,5 mm bariyerli prototiptir. Aynı bölümün devamında rotor çapı değişiminin Scheme 4'e ait olduğu, Scheme 4 malzemesinin akma dayanımına ulaştığı ve Scheme 3 boyutlarının değişmediği ifade edilmektedir. Bu nedenle ana bilimsel anlatımda daha geniş iç tutarlılıkla desteklenen “Scheme 4 deforme oldu, Scheme 3 görünür değişiklik göstermedi” yorumu kullanılmış; çelişkili kaynak cümlesi gizlenmemiştir.

Kaynak içi tutarsızlık notu 2: Ultra yüksek dayanım tasarım bölümünde bir yerde “35SW1500” ifadesi geçmektedir; çalışma boyunca malzeme 30SW1500 olarak tanımlanmış ve ilgili tablolar da 30SW1500 kullanmıştır. Ayrıca mekanik özellik grafiğine bir cümlede Şekil 13 denirken görünür grafiğin numarası Şekil 14'tür. Bu farklılıklar kaynak içi yazım/numaralandırma tutarsızlığı olarak korunmuştur.

Model kapsamı notu: Demir kaybı ve manyetik yoğunluk analizleri için kullanılan ana model 210 mm stator dış çapı ve 100 mm paket boyuna sahiptir. Ultra yüksek dayanımlı rotor bölümünde ise 128 mm stator dış çaplı başka bir V biçimli IPMSM modeli kullanılmaktadır. Farklı bölümlerdeki mutlak değerler tek bir motor konfigürasyonuna aitmiş gibi birleştirilmemelidir.

Bilimsel kapsam sınırı: Bulgular incelenen NOSS sınıfları, V biçimli rotor geometrileri, sonlu eleman modelleri ve prototip çalışma noktaları için geçerlidir. Farklı IPMSM topolojileri, farklı sac üreticileri, seri üretim prosesleri veya başka sıcaklık ve görev çevrimlerinde malzeme seçimi yeniden doğrulanmalıdır.

İçeriğin hazırlanma yöntemi: Bu Verianla içeriğinin bilimsel bölümü yalnızca kaynak çalışmanın metnine, denklemlerine, B-H ve demir kaybı ölçümlerine, FEM analizlerine, tablolarına, rotor gerilme/deformasyon sonuçlarına ve prototip testlerine dayanmıştır. Dış kaynaklardan yeni deneysel sonuç veya malzeme performans değeri eklenmemiştir. Dış doğrulama yalnız bibliyografik kimlik ve derginin hakemlik durumunun kontrolü için kullanılmıştır. Inline SVG'ler kaynakta raporlanan kesin tablo verilerinden yeniden çizilmiş veya araştırmanın yöntem ve sonuçlarına dayanarak oluşturulmuş özgün Türkçe Verianla şemalarıdır.