Parçacık sürü optimizasyonu‑geri yayılım‑domine olmayan sıralama genetik algoritma III tabanlı saç tokası (hairpin) motor için yağ püskürtme soğutma sisteminin çok amaçlı optimizasyon tasarımı

Elektrik motorlarını serin tutmanın önemi

Elektrikli otomobiller daha güçlü ve kompakt hale geldikçe, onları döndüren motorlar her zamankinden daha fazla zorlanıyor. Bu motorların içinde sıkıştırılmış bakır bobinler o kadar ısınabiliyor ki kalıcı manyetik zayıflama oluşuyor; bu da motor ömrünü kısaltıyor ve enerjiyi israf ediyor. Bu çalışma, o bobinleri gelişmiş bir biçimde soğutmak için yağ ile yıkayan bir yöntemi inceliyor ve yağ besleyen ince püskürtme halkasını yeniden tasarlamak üzere akıllı bilgisayar algoritmaları kullanarak motoru hem daha serin hem de daha verimli hale getiriyor.

Yağ yağmuru yoğun çalışan motorları nasıl korur

Modern çekiş motorları genellikle saç tokası (hairpin) bobinler kullanır—U şeklinde bükülmüş, rijit bakır çubuklar rotor etrafına yoğun biçimde paketlenir. Bu yoğun paketler güç için avantajlı olsa da motorun en sıcak bölümleridir. Ümit verici bir çözüm, yağ püskürtme soğutma sistemidir: bobinlerin etrafındaki içi boş bir halka, birkaç yağ jeti gönderir; bu jetler sıcak bakıra çarpar, ince bir film halinde yayılır ve yağı soğutma devrine geri dönmeden önce ısıyı uzaklaştırır. Makale, zaten böyle bir püskürtme halkası kullanan 230 kW’lık bir elektrik motoruna odaklanıyor; ancak orijinal tasarım bobinleri hâlâ çok sıcak bırakmış ve yağ iç basıncını nispeten yüksek tutarak soğutma sistemini zorlamıştır.

Yağı püskürtmenin farklı yollarını test etmek

Araştırmacılar önce temel bir soruyu sordular: hangi nozul biçimi en iyi soğutur? Üç ticari nozul türünü—düz püskürtme, dolu koni ve yelpaze biçimli—gerçekçi, basitleştirilmemiş bir bobin demetini nasıl ıslattıklarını simüle ederek karşılaştırdılar. Ayrıntılı akışkan ve ısı akışı hesaplamaları kullanılarak, bobinlerin nerelerinin sıcak veya soğuk kaldığını gösteren sıcaklık “bulut” haritaları üretildi. Düz püskürtme nozulu genellikle bobinlerin yalnızca ortasını ıslattı, komşu iletkenleri daha sıcak bıraktı. Yelpaze biçimli nozul biraz daha iyi performans gösterdi, ancak bitişik bobinler arasında keskin sıcaklık sıçramaları oluşturmaya devam etti. Buna karşılık dolu koni nozulu yağı yüzeye daha eşit dağıttı, daha düzgün bir sıcaklık alanı oluşturdu ve en düşük tepe sıcaklığı verdi—düz püskürtmeye göre ~%22 ve yelpazeye göre ~%5 daha düşük. Bu nedenle yeniden tasarım için başlangıç noktası olarak bu nozul seçildi.

Sanal deneylerle tasarım uzayını aramak

Sonraki adım, püskürtme halkasının geometrisine odaklanmaktı. Araştırmacılar, her nozülün büyük ve küçük çapları, püskürtme açısı, nozulların halka etrafında nasıl döndürüldüğü, kaç nozül kullanıldığı ve halkanın eksenel uzunluğu dahil olmak üzere altı temel boyutu belirlediler. Tüm kombinasyonları denemek yerine, bu faktörlerin iki hedefe—maksimum bobin sıcaklığı ve maksimum iç yağ basıncı—nasıl etki ettiğini verimli biçimde keşfetmek için özenle seçilmiş 25 varyanttan oluşan ortogonal bir tasarım kullandılar. Her varyant için gelişmiş hesaplamalı akışkan dinamiği (CFD) sıcaklıkları ve basınçları sağladı. Bir duyarlılık analizi, küçük nozül çapının hem soğutma hem de basınç üzerinde diğerlerinden çok daha güçlü bir etkiye sahip olduğunu gösterirken, diğer boyutların da önemli yardımcı roller oynadığını ortaya koydu.

Algoritmaların küçük ayrıntıları ayarlamasına izin vermek

Bu 25 deneme tasarımının ötesine geçmek için yazarlar, halka geometrisi ile soğutma performansı arasındaki ilişkiyi öğrenmesi için simülasyon sonuçlarını öğüt olarak kullanan bir sinir ağı eğitti. Ardından bu ağı parçacık sürü optimizasyonu ile modern çok amaçlı bir genetik algoritmanın birleşimi olan hibrit bir optimizasyon şemasının içine sardılar. Basitçe söylemek gerekirse, sanal “parçacıklar” ve “yavrular” tasarım uzayında dolaşarak binlerce yeni püskürtme halkası şekli öneriyor. Sinir ağı her aday için sıcaklık ve basıncı hızlıca tahmin ediyor ve algoritma her iki hedefi de iyi dengeleyenleri koruyarak mühendislerin Pareto sınırı dediği kümeleşmeyi oluşturuyor. Bu sınırdan ekip, nozulların biraz daha küçük ancak daha fazla sayıda olduğu, halka uzunluğu ve püskürtme açısının ise iç basıncı çok yükseltmeden güçlü, uniform yağ örtüsü sağlayacak şekilde hassas ayarlandığı bir tasarımı seçti.

Optimum tasarımın sağladıkları

Son olarak seçilen tasarım tam CFD simülasyonlarıyla yeniden doğrulandı. Tahmin edilen ve simüle edilen tepe sıcaklık ve basınçlar yaklaşık %2 içinde uyuştu; bu da entegre algoritmanın son derece doğru olduğunu gösterdi. Orijinal püskürtme halkasıyla karşılaştırıldığında optimize edilmiş versiyon maksimum bobin sıcaklığını %8,5 azalttı ve maksimum iç yağ basıncını %25,6 düşürdü. Bir elektrikli araç motoru için bu, daha serin bakır, manyetik hasar riskinin azalması ve yağ pompası üzerindeki yükün hafiflemesi anlamına geliyor; üstelik temel motor düzeni değiştirilmeden. Bu çalışma, gerçekçi akış simulasyonlarını zeki arama algoritmalarıyla birleştirmenin mevcut donanımdan daha fazla performans çekebileceğini gösteriyor ve daha serin, daha verimli ve daha dayanıklı yüksek güçlü elektrik tahriklerine giden yöne işaret ediyor.

Atıf: Liu, Y., Xu, P., Chen, S. et al. Multi-objective optimization design of oil spray cooling system for hairpin motor based on particle swarm optimization-backpropagation-non-dominated sorting genetic algorithm III. Sci Rep 16, 11593 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42028-7

Anahtar kelimeler: elektrik motoru soğutma, yağ püskürtme soğutma, saç tokası bobinleri, çok amaçlı optimizasyon, elektrikli araçlar