Electromagnetic simulation and optimization of an electromagnetic launcher
Elektromanyetik fırlatma sistemi simülasyonu ve optimizasyounu
- Tez No: 527094
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ OZAN KEYSAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 154
Özet
Elektromanyetik fırlatma sistemi (EMFS) barut yerine elektriksel darbe uyartı gücünü kullanan bir elektromanyetik hızlandırıcıdır. Darbe uyartısı şeklinde yüksek miktarda elektrik akımı raylardan ve armatürden geçer. Bu akım raylar arasında yüksek miktarda manyetik alan oluşturur. Lorentz kuvvetinin sonucu olarak, armatür ve mühimmat hızlanır. Bu çalışmada, EMFS'nin 2~MJ başlangıç enerjisine sahip darbe güç kaynağını (DGK) ve 3~m uzunluğundaki namlusunu içeren sonlu eleman (SA) modeli geliştirilmiştir. Modelin namlu tarafında, armatür hızına, pozisyonuna, uyartı akımının frekansına ve endüktans gradyantına bağlı olarak değişen direnç ve endüktans yardımı ile armatür hareketi durağan elemanlar kullanılarak simüle edilmiştir. Namludaki akım ve manyetik alan dağılımına ek olarak, 1~MA tepe değerli darbe uyartı akımını yaratan DGK anahtarlama senaryosu için alternatif akım (AA), kontak, hız yüzey etkisi ve zıt elektromotor kuvveti direnci incelenmiştir. Toplam 0.125~kg kütlesindeki armatür ve mühimmatın namlu çıkış hızı 2040~m/s olarak bulunmuştur. Toplam namlu çıkış enerjisi ve sistemin toplam verimi ise sırayla 260~kJ ve \%13 olarak hesaplanmıştır. Tasarlanan EMFS'nin elektromanyetik similasyonunun çıktıları test sonuçları ile doğrulanmıştır. Buna ek olarak, rayları mekanik olarak destekleyen nüvenin laminasyonunun etkisi incelenmiştir. Raylar ve armatür arasındaki kontağı kaybetmemek için nüvenin kullanımı namlu tarafında bir gereklilik olmasına rağmen, atış sırasında nüve içerisinde endüklenen akımlar iletken bir malzemeden yapılmış nüvede kayıplara sebebiyet vermektedir. Bu durum EMFS'nin verimini azaltmaktadır. Elektromanyerik açıdan 10~mm'den daha kalın laminasyonlu nüve kullanımının mantıklı olmadığı sonucuna varılmıştır. Son olarak, armatür şekli optimizasyonu çalışması tezin son kısmında sunulmuştur. Amaç fonksiyonu mühimmat çıkış enerjisi olarak belirlenmiştir. Optimizasyon yöntemi olarak genetik algoritma (GA) kullanılmıştır. Kontak yüzeyindeki maksimum akım yoğunluğu ve armatür içerisinde oluşan ve armatürü deforme eden basınçlar optimizasyonun kısıtlayıcıları olarak seçilmiştir. Kontak direnci kontak yüzeyindeki akım dağılımını etkilediği için kontak direnci de raylar ve armatür arasında ince katmanlar halinde modele eklenmiştir. Bu ince katmanların direnci bu katmanlara uygulanan elektromanyetik kontak basıncına bağlı olarak değişmektedir.
Özet (Çeviri)
Electromagnetic launcher (EML) is an electromagnetic accelerator which uses electrical pulse power instead of conventional gunpowder. A large amount of electric current in the pulse waveform flows in the rails and armature. This current creates large magnetic field between rails. As a result of Lorentz force, armature and projectile accelerate. In this study, finite element (FE) model of an EML which includes both pulsed power supply (PPS) circuits with 2~MJ total electrical energy and barrel with 3~m length is developed. In the barrel side of the model, armature movement is simulated with stationary mesh elements using external variable resistances and inductances depending on the armature velocity, position, frequency of the excitation current and inductance gradient. In addition to the current density and magnetic field distribution in the barrel, alternating current (AC), contact, velocity skin effect and back electromotive force (EMF) resistances are investigated for the described switching scenario of the PPS creating pulsed shaped excitation current with 1~MA peak. Muzzle velocity of projectile and armature with 0.125~kg total mass is found to be 2040~m/s. Total muzzle kinetic energy and system efficiency are calculated as 260~kJ and 13\%, respectively. Outputs of the electromagnetic simulations of the designed EML are verified with experimental results. Moreover, the effect of lamination thickness of the containment which supports the rails mechanically is observed. Although using containment in the barrel side is a requirement in order not to lose the contact between the rails and armature, it decreases the efficiency of the launcher because of the eddy currents in the conducting containment. It is concluded that using laminations thicker than 10~mm in the containment is not reliable from the electromagnetic point of view. Finally, armature shape optimization study is presented in the last chapter. The objective function of the optimization study is the muzzle kinetic energy of the projectile. Genetic algorithm (GA) is used as the optimization method. Maximum contact current density and electromagnetic deflection pressure on the armature are chosen as constraints. Since the contact resistance affects the distribution of the contact current density, it is also modeled as thin layers between the rails and armature with variable resistivities depending on the contact pressure values acting on each thin layer.
Benzer Tezler
- İnsansız hava araçları için lineer elektromanyetik fırlatıcı sistem tasarımı ve optimizasyonu
Design and optimization of linear electromagnetic launcher system for unmanned air vehicle
İSMAİL TOPALOĞLU
Doktora
Türkçe
2013
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi ÜniversitesiElektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN GÜRDAL
- Antenlerin hızlı ve doğru tasarımı için esnek hesaplamaya dayalı sayısal karma yöntemler
Numerical hybrid methods based on soft computing for fast and accurate design of antennas
MAHMUD ESAD YİĞİT
Doktora
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT TAYFUN GÜNEL
- Asenkron motorun işletme kayıplarının sürücü ve kontrol tabanlı azaltılması
Drive and control based reduction of operational loss in induction motor
BARIŞ CEVHER
Doktora
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA TURAN
- Menzil profili modunda çalışan radarla otomatik hedef sınıflama
automatic target classification with radars operating in range profilling
CENK GÖKBERK
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERCAN TOPUZ
- Elektromanyetik benzetimler yoluyla anten tasarımı ve optimizasyonu için grafik kullanıcı arayüzlü bir yazılım geliştirilmesi
Development of a graphic user interface software for antenna design and optimization via electromagnetic simulations
MURAT CAN SERKUŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiNuh Naci Yazgan ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERHAN YAMAÇLI