MOTOR-15 — Radyal ve Eksenel Akılı Motorlar

FACT — Günümüz seri üretim elektrikli araçlarının neredeyse tamamı silindirik gövdeli Radyal Akılı Motorlar (RFM - Radial Flux Machine) kullanır. Ancak Ferrari SF90 Stradale, McLaren Artura, Koenigsegg Gemera ve Mercedes-AMG’nin İngiliz üretici YASA’yı bünyesine katmasıyla elektrikli aktarma organlarında yeni bir süperstar doğdu: Disk biçimli Eksenel Akılı Motorlar (AFM - Axial Flux Machine).

Bu derste elektrik motoru tasarımının iki temel geometrik paradigmasını, eksenel akının sunduğu devasa tork yoğunluğunu ve aşılması gereken mekanik üretim zorluklarını inceleyeceğiz:

1. Manyetik Akı Yönelimleri: Radyal vs. Eksenel Geometri
2. Eksenel Akılı Motor Topolojileri (Torus, YASA, Çift Stator)
3. Neden Eksenel Akı 2-3 Kat Daha Yüksek Tork Yoğunluğu Sunar?
4. Mekanik Meydan Okuma: Kilonewtonlar Mertebesindeki Eksenel Çekme Kuvveti
5. Yumuşak Manyetik Kompozitler (SMC) ve 3D Manyetik Akı İletimi
6. Süper Otomobiller, Aks İçi Motorlar (In-Wheel) ve Hibrit Paketleme

---

1. Geometrik Paradigma: Manyetik Akı ve Akım Yönelimleri

Bir elektrik makinesinde tork, manyetik alan ($\vec{B}$) ile akım taşıyan iletkenlerin ($\vec{J}$) çapraz çarpımı sonucu oluşan Lorentz kuvvetiyle ($\vec{F} = \vec{J} \times \vec{B}$) üretilir.

RADYAL AKILI MOTOR (RFM):
  - Manyetik Akı (B): Radyal yönde akar (Merkezden dış çembere doğru)
  - Faz Akımı (J): Eksenel yönde akar (Mil boyunca paralel)
  - Lorentz Kuvveti (F): Teğetsel yönde oluşur (Silindirin dönme teğetinde)
  - Hava Aralığı: Silindirik bir tüp / bilezik yüzeyi şeklindedir.

EKSENEL AKILI MOTOR (AFM):
  - Manyetik Akı (B): Eksenel yönde akar (Mil eksenine paralel)
  - Faz Akımı (J): Radyal yönde akar (Merkezden dış yarıçapa doğru)
  - Lorentz Kuvveti (F): Teğetsel yönde oluşur (Dairesel diskin teğetinde)
  - Hava Aralığı: Düzlemsel dairesel bir disk yüzeyi şeklindedir.

---

2. Eksenel Akılı Motor Topolojileri

Eksenel akılı makineler stator ve rotor disklerinin dizilimine göre sınıflandırılır:

Eksenel Akı Topolojileri:
  a) Tek Stator - Çift Rotor (Torus / YASA):
       [ ROTOR DISK 1 ]  (Mıknatıslar)
       ----------------  (Hava Aralığı 1)
       [ STATOR DISK  ]  (Diş Başına Segmentli Bobinler)
       ----------------  (Hava Aralığı 2)
       [ ROTOR DISK 2 ]  (Mıknatıslar)

  b) Çift Stator - Tek Rotor:
       [ STATOR DISK 1 ] (Sargılar)
       ----------------  (Hava Aralığı 1)
       [ ROTOR DISK   ]  (Merkezi Mıknatıslı Disk)
       ----------------  (Hava Aralığı 2)
       [ STATOR DISK 2 ] (Sargılar)

YASA (Yokeless and Segmented Armature) Mimarisi:

Dr. Tim Woolmer (Oxford Üniversitesi / YASA kurucusu) tarafından geliştirilen bu tasarımda statorun boyunduruk (yoke / sırt demiri) kısmı tamamen kaldırılmıştır:

• Stator, aralarında hiçbir demir bağlantı olmayan bağımsız diş segmentlerinden oluşur.
• Stator demir kütlesi $\%50$ oranında azalır, manyetik akı bir rotor diskindeki mıknatıstan çıkıp doğrudan karşı rotor diskindeki mıknatısa düz bir çizgi halinde geçer.
• Bakır sargı kafaları (end-turns) neredeyse sıfırdır; harcanan tüm bakır doğrudan hava aralığında tork üretimine katılır.

---

3. Neden Eksenel Akı 2-3 Kat Daha Yüksek Tork Yoğunluğu Sunar?

Elektromanyetik tork, manyetik teğetsel kayma gerilmesi ($\sigma$) ile hava aralığı yüzey alanının ve yarıçapının (moment kolunun) çarpımına eşittir.

Matematiksel Karşılaştırma:

• Radyal Akılı Motorda (RFM): Tork silindirik hava aralığının yarıçapı ($R$) ve eksenel boyu ($L$) ile orantılıdır: $T_{RFM} = 2\pi \sigma \cdot R^2 \cdot L$ Hacim kazanmak için motorun silindirik boyunu uzatmak gerekir, ancak yarıçap sabit kaldığı için moment kolu değişmez.
• Eksenel Akılı Motorda (AFM): Tork diskin dış yarıçapı ($R_o$) ile iç yarıçapının ($R_i$) kübik farkı ile orantılıdır: $T_{AFM} = \frac{\pi}{4} \sigma \cdot B_{avg} A_{rms} (R_o^2 - R_i^2)(R_o + R_i)$

Maksimum tork yoğunluğu için iç yarıçapın dış yarıçapa oranı optimum olarak $k = \frac{R_i}{R_o} \approx \frac{1}{\sqrt{3}} \approx 0.577$ seçilir.

Eksenel Akının Ezici Üstünlükleri:

1. Daha Uzun Moment Kolu: Tüm manyetik kuvvet diskin en dış çeperinde üretilir. Kuvvet çarpı moment kolu ($F \cdot r$) prensibi gereği aynı akı ile çok daha büyük tork üretilir.
2. Olağanüstü Tork Yoğunluğu: Radyal akılı motorlar $10 - 15\text{ Nm/kg}$ tork yoğunluğu sağlarken, YASA eksenel akılı motorlar $30 - 40\text{ Nm/kg}$ seviyelerine ulaşır!
3. Ultra İnce Eksenel Uzunluk (“Pancake” Formu): Motorun eksenel kalınlığı yalnızca $70 - 100\text{ mm}$‘dir. Bir şanzıman kutusunun içine veya motor ile tekerlek arasına bir fren diski gibi kolayca sığdırılabilir.
4. Mükemmel Termal Soğutma: Stator bobinleri dışarıya tamamen açıktır ve sargı kafaları olmadığı için doğrudan stator yüzeyine basan sıvı soğutma plakaları ile soğutulabilir.

---

4. Mekanik Meydan Okuma: Eksenel Manyetik Çekme Kuvveti

Eksenel akılı motorların seri üretiminde karşılaşılan en büyük mühendislik engeli devasa eksenel manyetik çekme kuvvetidir ($F_{axial}$).

Rotor diski üzerindeki güçlü Neodim mıknatıslar ile stator çeliği arasında yaklaşık $1\text{ mm}$ kalınlığında hava aralığı bulunur. Maxwell stres tensörü gereği rotor ve stator birbirini manyetik olarak eksenel yönde çeker:

$F_{axial} = \frac{B_g^2 \cdot A_{pole}}{2\mu_0}$

WARNING — Tipik bir $200\text{ kW}$ eksenel akılı motorda bu eksenel çekme kuvveti $15 - 30\text{ kN}$ ($1.5 - 3\text{ ton}$ kuvvet) mertebesine ulaşabilir!

Rotor diskleri dönme sırasında mikroskobik olarak bile esnerse hava aralığı kapanır ve rotor mıknatısları $10.000\text{ d/dk}$ hızda statora çarparak motoru imha eder. Bu nedenle son derece rijit çift konik makaralı veya eğik bilyalı eksenel rulmanlar ve sıfır sehime izin veren kompozit taşıyıcılar şarttır.

Tek Stator - Çift Rotor (YASA) topolojisinin dehası tam bu noktada parlar: İki rotor diski statoru zıt yönlerden eşit kuvvetle çeker. Manyetik çekme kuvvetleri stator üzerinde birbirini tamamen sıfırlar (dengeler); böylece rulmanlara binen net eksenel yük dramatik biçimde azalır.

---

5. SMC (Yumuşak Manyetik Kompozit) Malzeme Devrimi

Geleneksel radyal akılı motorlarda silisli çelik saclar 2 boyutlu manyetik akıyı iletmek için eksenel yönde üst üste lamine edilir (istiflenir).

Ancak eksenel akılı motorlarda manyetik akı 3 boyutlu bir geometri izler. Sac paketleri bu şekilde bükmek imkansızdır veya girdap akımı kayıpları patlar. Bu problemi çözmek için SMC (Soft Magnetic Composites - Yumuşak Manyetik Kompozitler) kullanılır:

• Her biri mikroskobik yalıtkan polimer tabakasıyla kaplanmış saf demir tozu tanecikleri yüksek basınç altında ($800\text{ MPa}$) kalıpta preslenir.
• Her yönde (3D) izotropik manyetik geçirgenlik sağlar.
• Girdap akımlarını mikron düzeyinde sınırlandırarak yüksek frekanslarda bile demir kayıplarını düşük tutar.

---

6. Otomotiv Uygulama Alanları

Eksenel akılı motorların geometrisi süper otomobiller ve yeni nesil elektrikli platformlar için benzersiz paketleme avantajları sunar:

1. Süper ve Hiper Arabalar:
   • Ferrari SF90 Stradale: Ön aksta 2 adet, arkada motor ile şanzıman arasında 1 adet disk tipi motor.
   • McLaren Artura: V6 motor ile 8 ileri çift kavramalı şanzımanın arasına entegre edilmiş yalnızca 8 cm kalınlığında eksenel motor.
   • Koenigsegg Gemera / Quark / Dark Matter: $800\text{ Nm}$ tork üreten ve 30 kg’dan hafif “Raxial” (Radyal + Eksenel karma) motorlar.
2. Mercedes-AMG Gelecek EV Platformu (AMG.EA): Mercedes, YASA’yı bünyesine katarak 2026 sonrasında üreteceği tüm saf elektrikli AMG modellerinde tekerlek başına eksenel akılı motor mimarisine geçeceğini duyurmuştur.
3. Aks İçi (In-Wheel) Doğrudan Tahrik: İnce pancake yapısı sayesinde doğrudan jantın içine sığarak şanzıman ve diferansiyel mekanizmalarını tamamen ortadan kaldırır.

---

7. Özet

• Radyal akılı motorlarda (RFM) akı radyal, akım ekseneldir; tork silindirik hava aralığının teğetinde üretilir.
• Eksenel akılı motorlarda (AFM) akı eksenel, akım radyaldir; tork dairesel disk yüzeyinde üretilir.
• Eksenel akı geometrisi, manyetik kuvveti en dış çapta ürettiği için radyal motorlara göre 2-3 kat daha yüksek tork yoğunluğu ($>30\text{ Nm/kg}$) ve ultra ince (“pancake”) form sunar.
• YASA (Yokeless and Segmented Armature) topolojisi stator sırt demirini kaldırarak ağırlığı yarı yarıya düşürür ve zıt rotor diskleriyle eksenel manyetik çekme kuvvetlerini dengeler.
• 3 boyutlu manyetik yollar SMC malzemelerini zorunlu kılar; yüksek tork yoğunluğu ve kompakt boyutları sayesinde yüksek performanslı süper arabaların ve geleceğin lüks EV platformlarının nihai motor mimarisidir.

Sıradaki Ders

• MOTOR-16 — Clarke ve Park Dönüşümleri: Vektör kontrolünün (FOC) matematiksel temeli; 3-fazlı alternatif akımların dönen d-q referans sistemine indirgenmesi.