MOTOR-29 — Tork Mekanizmaları ve Paketleme Karşılaştırması

FACT — MOTOR-28’de dört motor ailesini karşılaştırdık; ama IPMSM ailesinin kendi içinde bile tek bir “tip” yoktur — mıknatıs torku ile relüktans torkunun karışım oranı, aynı aile etiketi altında SPMSM’den saf SynRM’ye kadar uzanan bir spektrum oluşturur. Bu ders o spektrumu ve ayrı bir eksende, motorun fiziksel paketlenme biçimini (radyal vs eksenel akı) inceler.

Bu derste şu başlıkları işleyeceğiz:

1. Tork Spektrumu: SPMSM’den Saf SynRM’ye
2. Akım Avans Açısı β: MTPA’nın Geometrik Yorumu
3. PM-Destekli SynRM: Ferrit Mıknatısla Açı Kaydırma
4. Radyal Akı vs Eksenel Akı: Temel Mimari Fark
5. Eksenel Akı (YASA) Paketleme Avantajı: In-Wheel Motor Cazibesi
6. Unsprung Mass (Yaysız Kütle) Ödünleşimi
7. Pratik Sentezi: Hangi Kombinasyon Hangi Uygulamada?

---

1. Tork Spektrumu: SPMSM’den Saf SynRM’ye

MOTOR-11’de gördüğümüz IPMSM tork denklemi iki terimden oluşur:

$T_e = \underbrace{\frac{3}{2} p \, \psi_{pm} I_q}_{\text{PM (mıknatıs) torku}} + \underbrace{\frac{3}{2} p (L_d - L_q) I_d I_q}_{\text{relüktans torku}}$

Bu iki terimin göreli ağırlığı, dört ayrı tasarım noktasını tanımlar:

Motor tipi	$\psi_{pm}$	$L_d$ vs $L_q$	PM torku payı	Relüktans torku payı	Tipik optimum β
SPMSM (yüzey mıknatıslı)	Yüksek	$L_d = L_q$	%100	%0	$0^\circ$
IPMSM (gömülü mıknatıs)	Orta–Yüksek	$L_q > L_d$	%60 – %80	%20 – %40	$\sim 20^\circ$ – $40^\circ$
PM-destekli SynRM	Düşük (ferrit)	$L_q \gg L_d$	%15 – %30	%70 – %85	$\sim 45^\circ$ – $55^\circ$
Saf SynRM	Sıfır	$L_q \gg L_d$	%0	%100	$\sim 45^\circ$ (simetrik)

ASSUMPTION — Yukarıdaki PM/relüktans payı yüzdeleri, tork bileşenlerinin nominal çalışma noktasındaki tipik oranlarını gösteren gösterge niteliğinde değerlerdir; gerçek oran motor geometrisine (mıknatıs hacmi, çıkıntı oranı $\xi = L_q/L_d$) ve çalışma noktasına (akım genliği, hız) göre değişir.

CRITICAL — Bu spektrumda “IPMSM” tek bir nokta değil, geniş bir bölgedir. Ticari IPMSM tasarımları, mıknatıs hacmini azaltıp $\xi$ oranını artırarak spektrum boyunca SynRM yönüne kaydırılabilir — bu, MOTOR-28 §5’te işlenen nadir toprak maliyetini azaltmanın doğrudan bir mühendislik yoludur.

---

2. Akım Avans Açısı β: MTPA’nın Geometrik Yorumu

MOTOR-19’da türetilen MTPA akım açısı formülünü hatırlayalım. Akım vektörünü $I_d = I_s \sin\beta$, $I_q = I_s \cos\beta$ olarak parametrize edersek, tork ifadesi şu hale gelir:

$T_e(\beta) = \frac{3}{2} p \left[ \psi_{pm} I_s \cos\beta + \frac{1}{2}(L_d - L_q) I_s^2 \sin(2\beta) \right]$

Bu ifadenin iki teriminin göreli büyüklüğü, optimum $\beta$‘nın nereye kayacağını belirler:

• Birinci terim ($\cos\beta$ ile orantılı, PM torku): $\beta = 0^\circ$‘de maksimuma ulaşır — akımın tamamı $q$-eksenine, yani doğrudan mıknatıs akısına dik yönde verilmelidir.
• İkinci terim ($\sin 2\beta$ ile orantılı, relüktans torku): $\beta = 45^\circ$‘de maksimuma ulaşır.

$dT_e/d\beta = 0 \Rightarrow -\psi_{pm} I_s \sin\beta + (L_d - L_q) I_s^2 \cos(2\beta) = 0$

Bu denklemin kökü, $\psi_{pm}$ küçüldükçe (mıknatıs zayıfladıkça) ve $(L_q - L_d)$ büyüdükçe (çıkıntı arttıkça) $45^\circ$‘ye yaklaşır:

$\beta_{opt} \to 0^\circ \quad \text{(SPMSM, } \psi_{pm} \text{ baskın)}$ $\beta_{opt} \to 45^\circ \quad \text{(SynRM, relüktans baskın)}$

FACT — Bu, MOTOR-19 §2’de verilen $I_d$ formülünün geometrik özüdür: formüldeki $\sqrt{\psi_{pm}^2/[4(L_q-L_d)^2] + I_q^2}$ terimi, $\psi_{pm} \to 0$ limitinde $I_d \to -I_q$ (yani $\beta \to 45^\circ$) davranışına yakınsar — tam da saf relüktans motorunun simetrik MTPA yörüngesi.

d-q Düzleminde MTPA Yörüngesinin β Açısına Göre Kayması:

  I_q
   ^
   |    SPMSM (β=0°)
   |    MTPA: saf I_q ekseni boyunca
   |    ────────────►
   |
   |         IPMSM (β≈20-40°)
   |         MTPA: hafif eğik parabolik yörünge
   |        ╱
   |       ╱
   |      ╱   PM-destekli SynRM (β≈45-55°)
   |     ╱    MTPA: I_d=I_q'ya yakın simetrik hat
   |    ╱
   |   ╱  Saf SynRM (β=45°, simetrik)
   |  ╱   MTPA: I_d=-I_q köşegeni
   +─────────────────────────► I_d
   0

Saf SynRM’de optimum β genellikle tam $45^\circ$‘de sabitlenir çünkü PM terimi hiç yoktur ve denklem $\sin(2\beta)$‘nin maksimumuna indirgenir. PM-destekli SynRM’de ise küçük bir ferrit mıknatıs katkısı, optimum noktayı $45^\circ$‘nin biraz ötesine ($50^\circ$–$55^\circ$‘ye) kaydırabilir — bu, aşağıdaki bölümde ele alınır.

---

3. PM-Destekli SynRM: Ferrit Mıknatısla Açı Kaydırma

Saf SynRM’nin en büyük dezavantajı düşük güç faktörüdür (MOTOR-28 §2, §9’daki FAQ). Nedeni: relüktans torku üretmek için gereken $I_d$ akımı, mıknatıs akısı olmadığından TAMAMEN reaktif bir manyetize edici bileşendir — net akı $\psi_d = L_d I_d$‘nin tamamı akım tarafından üretilmek zorundadır.

Ucuz, ısıya dayanıklı ferrit mıknatıslar (NdFeB’ye göre çok daha düşük maliyetli, nadir toprak içermeyen) rotor akı bariyerlerine yerleştirilirse:

$\psi_d = \psi_{pm,ferrite} + L_d I_d$

Ferrit mıknatısın akısı, $I_d$‘nin bir kısmının işini “bedava” üstlenir — aynı $\psi_d$‘ye ulaşmak için gereken $I_d$ küçülür, güç faktörü iyileşir ve inverter VA gereksinimi düşer. Ayrıca ferrit akısı $\beta = 45^\circ$‘nin biraz ötesine kaymış bir optimum akım açısı yaratır çünkü artık küçük de olsa bir PM-torku terimi vardır.

FACT — PM-destekli SynRM, tork spektrumunda saf SynRM ile IPMSM arasında bilinçli bir orta nokta hedefler: nadir toprak bağımlılığını neredeyse ortadan kaldırırken (ferrit ucuz ve bol), saf SynRM’nin güç faktörü zayıflığını kısmen telafi eder. Bazı Çinli OEM’lerin ve endüstriyel sürücü üreticilerinin bu mimariyi maliyet/tedarik güdümlü programlarda değerlendirdiği bildirilmektedir.

ASSUMPTION — Belirli bir seri üretim binek EV programında PM-destekli SynRM kullanımı kamuya açık kaynaklarda IPMSM/asenkron kadar yaygın belgelenmemiştir; yukarıdaki değerlendirme literatür ve endüstri eğilimi düzeyindedir, model-özel doğrulama gerektirir.

---

4. Radyal Akı vs Eksenel Akı: Temel Mimari Fark

Şimdiye kadarki tartışma, motorun tork üretim mekanizmasıyla ilgiliydi. Şimdi tamamen bağımsız bir eksene, motorun fiziksel paketlenme geometrisine geçiyoruz — MOTOR-15’te tanıtılan akı yönü ayrımı.

Radyal Akı Makinesi (geleneksel, silindirik):      Eksenel Akı Makinesi (YASA / pancake):

   Akı, rotor-stator hava boşluğunu               Akı, rotor-stator hava boşluğunu
   RADYAL yönde (şaft eksenine dik) geçer.         AKSİYAL yönde (şaft eksenine paralel) geçer.

        ┌───────────┐                                  ╔═══════════════╗  ← stator diski
        │  ┌─────┐  │  ← stator                         ║ N S N S N S N ║  ← rotor diski (mıknatıslar)
        │  │ ═══ │  │  ← hava boşluğu (radyal)          ╠═══════════════╣  ← hava boşluğu (aksiyal, x2)
   şaft →│  │rotor│  │← şaft                             ║ S N S N S N S ║  ← ikinci rotor diski (opsiyonel)
        │  └─────┘  │                                  ╚═══════════════╝
        └───────────┘                                       ↑ şaft (kısa eksenel uzunluk)
   Uzun eksenel boy, küçük çap                          Kısa eksenel boy, büyük çap ("pancake")

Özellik	Radyal Akı	Eksenel Akı (YASA/pancake)
Eksenel uzunluk	Uzun	Kısa (aynı gücü daha ince paketler)
Çap	Nispeten küçük	Büyük (tork kolu uzun)
Tork yoğunluğu (Nm/L)	Referans	Genellikle %20–40 daha yüksek
Üretim olgunluğu	Çok olgun, düşük maliyetli seri üretim	Daha genç, hassas hava boşluğu toleransı gerektirir
Termal yönetim	Kanıtlanmış, kolay	Daha zorlu (disk geometrisi soğutma yollarını kısıtlar)
Yapısal rijitlik	Kolay (tek parça gövde)	Zorlayıcı (eksenel manyetik çekim kuvvetleri diskleri birbirine çeker)
Tipik entegrasyon	Konvansiyonel tek-şaft e-Axle, hibrit şanzıman gövdesi	In-wheel (göbek) motor, çok-motorlu ultra-kompakt yerleşim

FACT — Eksenel akı makinelerinde iki rotor diski arasındaki stator, güçlü bir eksenel manyetik çekim kuvvetine maruz kalır (axial attraction force) — bu kuvvet dengelenmezse hava boşluğu daralır ve sürtünme/temas riski oluşur. Bu, MOTOR-15’te değinilen yapısal/termal zorluğun somut kaynağıdır ve eksenel akı motorlarının seri üretime geçişini radyal akıya göre daha geç ve daha maliyetli kılan başlıca nedendir.

---

5. Eksenel Akı (YASA) Paketleme Avantajı: In-Wheel Motor Cazibesi

Eksenel akı motorunun kısa eksenel boyu, onu özellikle in-wheel (göbek) motor mimarisi için çekici kılar: motor doğrudan jant içine veya jantın hemen arkasına, tekerlek göbeğine entegre edilebilir, diferansiyel/redüktör/kardan mili gibi aktarma organlarına ihtiyaç kalmadan.

FACT — YASA Motors (şimdi Mercedes-AMG bünyesinde) tarzı yokeless-segmented-armature eksenel akı topolojisi, yüksek tork yoğunluğu ve kısa eksenel boyu bir araya getirerek hem yüksek performanslı e-Axle uygulamalarında (Mercedes-AMG’nin bazı yüksek performans hibrit/EV modellerinde) hem de kavramsal in-wheel motor tasarımlarında referans mimari olarak gösterilir.

ASSUMPTION — YASA/Mercedes-AMG entegrasyonunun kesin model ve konfigürasyon detayları kamuya açık kaynaklarda zaman içinde değişebilir; bu ders genel mimari eğilimi örneklemek amacıyla anılmaktadır, güncel/kesin ürün bilgisi için üretici teknik yayınlarına bakılmalıdır.

Çoklu-motor yerleşimlerinde (örn. dört bağımsız tekerlek motoru ile torque vectoring) eksenel akının kompaktlığı, her tekerleğe ayrı bir motor sığdırma pratikliğini büyük ölçüde kolaylaştırır — ki bu radyal akı ile fren/süspansiyon bileşenleriyle çakışma riski nedeniyle çok daha zordur.

---

6. Unsprung Mass (Yaysız Kütle) Ödünleşimi

In-wheel motorun paketleme cazibesine rağmen, endüstride seri üretimde geniş yaygınlık kazanmamasının temel mühendislik nedeni unsprung mass artışıdır.

Unsprung mass, süspansiyonun altında kalan, yay/amortisör tarafından “izole edilmeyen” kütledir: tekerlek, jant, lastik, fren kalibresi/diski, aks ucu bileşenleri. Buna karşılık sprung mass, süspansiyon tarafından izole edilen gövde+şasi+motor (konvansiyonel yerleşimde) kütlesidir.

Tekerlek, yol yüzeyindeki bir tümsek/çukurla karşılaştığında, süspansiyon yayı ve amortisörü şu ikili kütle-yay sistemini yönetir:

$m_{us} \ddot{x}_{us} + k_t(x_{us} - x_{road}) = k_s(x_s - x_{us}) + c_s(\dot{x}_s - \dot{x}_{us})$

burada $m_{us}$ unsprung kütle, $k_t$ lastik sertliği, $k_s$/$c_s$ süspansiyon yay/sönüm katsayısıdır. Bu denklemin fiziksel sonucu:

CRITICAL — Unsprung kütle arttıkça, tekerleğin yol düzensizliklerine tepki verme atalet momenti büyür. Lastik, yolun konturunu takip etmek için artık daha büyük bir kütleyi hızla ivmelendirmek zorunda kalır — bu da (1) lastik-yol temas yaması (contact patch) kuvvetinin dalgalanmasını artırır (tutuş/fren mesafesi kaybı), (2) süspansiyonun tümsek/çukur darbelerini gövdeye iletmeden söndürme (isolation) performansını düşürür (sürüş konforu kaybı), (3) yüksek frekanslı yol titreşimlerinin gövdeye daha fazla iletilmesine yol açar.

Bir in-wheel motor, tanım gereği kütlesini (tipik olarak $15\text{–}40\text{ kg}$ mertebesinde, motor boyutuna göre) doğrudan unsprung tarafa ekler. Buna karşılık konvansiyonel bir e-Axle mimarisinde motor kütlesi şasiye bağlı (sprung) taraftadır ve bir yarı-mil (driveshaft/half-shaft) aracılığıyla tekerleğe tork iletir — tekerlek tarafında sadece hafif bir CV-mil ucu eklenir, motorun ana kütlesi süspansiyonun izolasyonundan tam olarak yararlanır.

$\Delta m_{us,\text{in-wheel}} \approx m_{motor} + m_{motor\_gövde} \gg \Delta m_{us,\text{e-Axle}} \approx m_{CV\_mil\_ucu}$

FACT — Bu, in-wheel motor mimarisinin paketleme/verimlilik avantajına rağmen seri üretim binek araçlarda hâlâ nadir kalmasının merkezi mühendislik itirazıdır. Yol tutuşu, fren mesafesi ve sürüş konforu — özellikle premium binek segmentinde — genellikle paketleme kompaktlığından daha ağır basan öncelikler olarak değerlendirilir.

Bazı üreticiler ve konsept araçlar (örn. çeşitli Çinli EV girişimlerinin ve akademik/yarış projelerinin in-wheel motor konseptleri) bu ödünleşimi kabul ederek özellikle düşük hız/şehir-içi veya hafif ticari uygulamalarda in-wheel motoru tercih etmiştir; ancak yüksek performans/premium binek segmentinde radyal veya eksenel akı motorların şasi tarafında (sprung mass içinde) konumlandırılması standart kalmaya devam etmektedir.

ASSUMPTION — Belirli in-wheel motor konsept araçlarının üretici/model isimleri hızla değişen bir alan olduğundan burada spesifik isim verilmemiştir; güncel örnekler için üretici duyuruları taranmalıdır.

---

7. Pratik Sentezi: Hangi Kombinasyon Hangi Uygulamada?

Uygulama	Tork mekanizması tercihi	Paketleme tercihi	Gerekçe
Premium performans binek (tek/çift motor, şasi üzerinde)	IPMSM (yüksek PM payı)	Radyal akı	Yoğunluk + olgun üretim + sprung mass korunur
Maliyet/tedarik-kısıtlı program	PM-destekli SynRM	Radyal akı	Nadir toprak azaltımı + kanıtlanmış paketleme
Ultra-kompakt çok-motorlu e-Axle (şasi üzerinde)	IPMSM veya SynRM	Eksenel akı (YASA)	Kısa eksenel boy avantajından unsprung mass cezası ödemeden yararlanma
Deneysel/niş in-wheel (şehir içi, hafif ticari)	Genellikle IPMSM veya SRM (kompakt, yüksek kutup sayısı)	Radyal veya eksenel akı, göbeğe entegre	Paketleme önceliği; unsprung mass cezası bilinçli kabul edilir

---

8. Sık Sorulan Sorular (FAQ)

Neden IPMSM’nin optimum β açısı sabit bir sayı değil?

FACT — β, PM torku ile relüktans torku teriminin göreli büyüklüğüne bağlıdır; bu oran motor geometrisine ($\psi_{pm}$, $L_d$, $L_q$) ve çalışma noktasına (akım genliği $I_s$) göre değiştiğinden β sabit değil, akım genliğiyle birlikte kayan bir yörüngedir — tam da MOTOR-19’daki MTPA eğrisinin tanımı budur.

Eksenel akı motoru her zaman radyal akıdan daha yoğun mudur?

INTERPRETATION — Genel eğilim evet yönündedir (büyük çap, kısa eksenel boy, iyi kullanılan aktif malzeme hacmi), ancak bu üretim toleransları ve termal tasarımın olgunluğuyla kısmen dengelenir; radyal akının onlarca yıllık üretim optimizasyonu, ham teorik yoğunluk farkının bir kısmını pratikte kapatabilir.

In-wheel motor hiçbir zaman seri üretimde yaygınlaşmayacak mı?

INTERPRETATION — Kesin bir hayır denemez; lastik/jant/fren teknolojilerindeki hafifletme (unsprung mass azaltma) ve aktif süspansiyon kontrolündeki ilerlemeler bu ödünleşimi zamanla iyileştirebilir. Ancak bugünkü teknoloji seviyesinde premium binek segmenti için merkezi motor + driveshaft mimarisi hâlâ baskın tercih olmaya devam ediyor.

---

9. Özet

• Tork spektrumu SPMSM (saf PM) ile saf SynRM (saf relüktans) arasında sürekli bir yelpazedir; IPMSM ve PM-destekli SynRM bu yelpazenin ara noktalarıdır.
• MTPA akım avans açısı β, PM torku baskınken $0^\circ$‘ye, relüktans torku baskınken $45^\circ$‘ye yaklaşır — MOTOR-19’daki MTPA formülünün geometrik yorumu budur.
• Ferrit mıknatıslarla PM-destekli SynRM, saf SynRM’nin düşük güç faktörü zaafını nadir toprak kullanmadan kısmen telafi eder.
• Radyal akı olgun ve üretilebilirliği yüksektir; eksenel akı (YASA) daha yoğun ve kısa eksenel boyludur ama termal/yapısal zorluklar taşır.
• Eksenel akının kısalığı in-wheel motor mimarisini cazip kılar, ancak motor kütlesini unsprung tarafa taşıması yol tutuşu ve konforu bozar — bu, in-wheel motorların premium binek segmentinde hâlâ nadir kalmasının merkezi nedenidir.

10. Kaynaklar ve Doğrulama Notu

• Lipo — Introduction to AC Machine Design (tork bileşenleri, MTPA türetimi).
• Pyrhönen, Jokinen & Hrabovcová — Design of Rotating Electrical Machines (akı yönü, radyal/eksenel karşılaştırma).
• Jahns et al. — Interior Permanent-Magnet Synchronous Motors for Hybrid and Electric Vehicle Propulsion (IPMSM β açısı davranışı).
• Gruber et al. — Yokeless and Segmented Armature (YASA) Axial-Flux Machine Topologies (eksenel akı mimarisi).

ASSUMPTION — Üretici/model-özel örnekler (YASA/Mercedes-AMG, PM-destekli SynRM kullanan OEM’ler, in-wheel motor konseptleri) kamuya açık basın kaynakları düzeyinde doğrulanmıştır; yayın öncesi güncel üretici dokümantasyonuyla teyit edilmelidir.

Sıradaki Ders

• MOTOR-30 — Arıza Modları ve Gerçek Araç Kıyaslamaları: Sahada gözlenen motor arıza vakaları (demanyetizasyon, rulman akımı, izolasyon bozulması) ve gerçek üretici modellerinin ölçülmüş performans verileriyle bu derste işlenen teorik ödünleşimlerin karşılaştırılması.