Havacılık uygulamaları için emniyet kritik daimimıknatıslı alternatör tasarımı ve analizi
Design and analysis of safety critical permanent mangetalternator for aviation applications
- Tez No: 749760
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 101
Özet
Havacılık motorları, hava araçlarına itki veren temel bileşen olmanın yanında barındırdıkları elektriksel güç üretim sistemleri ile platformun ihtiyaç duyduğu elektrik enerjisinin üretilmesini sağlar. Hava araçlarında güç üretim ihtiyacı, içten yanmalı motorun başlatılması için bir elektrik motoru olan marş motorlarının kullanılması ile başlamıştır. Zaman içerisinde ilerleyen teknoloji ile birlikte hava araçlarına iç aydınlatma, ısıtma ve haberleşme gibi elektikle çalışan sistemler eklenmeye başlanmıştır. Bunun yanında motor ve platformda hidrolik, mekanik ve pinomatik sistemler yerine daha yüksek verimli olan elektrikli sistemler kullanılmaya başlanmıştır. Hava araçlarının ihtiyaç duyduğu elektrik enerjisi gelişen teknoloji ile beraber günden güne artmakta ve elektriksel güç üretim sistemlerinin güç yoğunluğu giderek artmaktadır. Yüksek güç yoğunluğunu sağlamak adına elektriksel güç üretim sistemlerinde sürekli mıknatıslı alternatörler tercih edilir. Bir hava aracının havada kalabilmesi için elektrik enerjisi gereklidir ve bu enerjiyi sağlayan güç üretim sisteminin en zorlu koşullarda bile aktif olması ve hata durumlarında platforma zarar vermemesi kritik bir öneme sahiptir. Bu sebeple yüksek güç yoğunluğunun yanında elektriksel güç üretim sistemlerinin hata toleransının yüksek olması gereklidir. Böylece olası bir hata durumunda içten yanmalı motor çalışmasına devam etmeli ve platform görev süresini tamamlamalıdır. Ayrıca hata anında ve sonrasında motorda ve platformda oluşacak tahribat en düşük seviyede tutulmalıdır. Bu çalışma kapsamında hata toleransı en yüksek olan sürekli mıknatıslı alternator topolojisini belirlemek adına aynı tepe seviyede isterlere sahip gömülü mıknatıslı generatör, mıknatıs destekli senron relüktans makine ve yüzey mıknatıslı generatör tasarımları gerçekleştirilmiş olup, emniyet kritiklik, ağırlık ve üretilebilirlik bakımından karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda hava aracı güç sistemlerinde kullanılması en uygun olan topoloji belirlenmiş ve hata toleransını artırmaya yönelik tasarım çözümleri bu topolojiye uygulanmıştır. Alternatör analitik tasarım ve elektromanyetik analizleri sonlu elemanlar paket programları olan JMAG ve ANSYS MAXWELL ile gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın son bölümdünde en iyileştirilmiş tasarımın rölanti ve maksimum devirdeki performansı elde edilmiştir. Ayrıca 3 boyutlu analiz ile demir ve bakır kayıpları çıkarılıp verim hesabı yapılmıştır. Ek olarak tasarımı yapılan hata toleransı yüksek, emniyet kritik alternatörü geliştirmeye yönelik öneriler sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
In addition to being the main component that propels aircraft, aviation engines provide the electrical energy needed by the platform with the electrical power generation systems they contain. The need for power generation in aircraft started with the use of starter motor, which is an electric motor to start the internal combustion engine. With the advancing technology over time, electrical systems such as interior lighting, heating and communication have been added to aircraft. In addition, more efficient electrical systems have been used instead of hydraulic, mechanical and pneumatic systems in the engine and platform. The electrical energy required by aircraft is increasing day by day with the developing technology and the power density of electrical power generation systems is increasing. In order to provide high power density, permanent magnet alternators are preferred in electrical power generation systems. Electrical energy is required for an aircraft to stay in the air, and it is critical that the power generation system that provides this energy is active even in the most challenging conditions and does not damage the platform in case of any failures. For this reason, besides high power density, fault tolerance of electrical power generation systems must be high. Thus, in case of a possible fault, the internal combustion engine should continue to operate and the platform should complete its duty period. In addition, the damage to the engine and platform during and after the fault should be kept at the lowest level. In order to realize the alternator design with high fault tolerance, which is the aim of the study, the alternator fault modes were examined first. Open-circuit faults and shortcircuit faults can have great effects on the engine and platform. For this reason, it is evaluated within the scope of critical errors and classified as primary errors. Magnet errors, on the other hand, depend on operating and ambient conditions. Since only insulation measures can reduce the effects on the engine and platform, they are considered as non-critical faults and classified as secondary faults. In this study, general operating principles, characteristics and design solutions to increase fault tolerance of electrical power generation system alternators used in aircraft are presented. Detailed information is given about permanenet magnet assisted synchronous reluctance machines, interior permanent magnet machines and surface mounted permanent magnet machines. In permanent magnet assisted synchronous reluctance machines and interior permanent magnet machines, permanent magnets are resistant to centrifugal forces at high speeds as they are inside the rotor core, and they produce reluctance torque due to the magnetic reluctance difference between q and d axis, but the harmonic amplitudes that distort the emf waveform are relatively higher. For this reason, the optimization of ferrous core materials between magnets and between magnets and air gap should be done meticulously, and additional design xxii measures are required to make the emf waveform approach sinusoidal form. In surface mounted permanent magnet machines, resistance to centrifugal forces at high speeds is provided by the rotor sleeve. The emf waveform is quite smooth. In addition, since the rotor core is thin, it is very advantageous in terms of weight. In this study, in order to determine the permanent magnet alternator topology with the highest fault tolerance, interior permanent magnet generator, permanent magnet assisted synchronous reluctance generator and surface mounted permanent magnet generator designs with the same requirements were carried out and compared in terms of safety criticality, weight and manufacturability. As a result of the comparison, the most suitable topology to be used in aircraft power systems was determined and design solutions to increase fault tolerance were applied to this topology. For example, by increasing the number of phases, the power outputs are backed up as 2, 3 phases with the same characteristics, the outputs are electrically and magnetically isolated from each other, the amount of magnets used and the air gap have been optimized, the winding structure has been changed, the stator tooth geometry (tooth tip thickness and slot opening) has been optimized and a magnetic slot wedge is added to the slot openings and its thickness is optimized. Working conditions were analyzed for the optimized design that emerged after the applied design solutions. In addition, loss and demagnetization analyzes were carried out. Analytical design and electromagnetic analysis of the alternator were carried out with finite element package programs JMAG and ANSYS MAXWELL. In the last part of the study, the performance of the optimized design at idle and maximum speed was obtained. In addition, iron and copper losses were calculated by 3D analysis and yield calculations were made. In addition, suggestions are presented for the development of the designed safety critical alternator with high fault tolerance.
Benzer Tezler
- ComCoS: An enhanced cache partitioning technique for integrated modular avionics
ComCoS: Entegre modüler aviyonikler için gelişmiş bir önbellek bölümleme tekniği
YAKUP HÜNER
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMAZAN YENİÇERİ
- Uçakların yaklaşma ve iniş safhalarındaki stabilizasyonkriterlerinin incelenmesi
Analysis of stablization criterias during approach andlanding phases of flight
BAHTİYAR FİKRET AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYTAÇ ARIKOĞLU
- A refined methodology tor model-based FPGA hardware design: An example of quadrotor dynamical model implementation
Model tabanlı FPGA donanımı tasarımında iyileştirilmiş bir yöntem sistemi: Bir dört rotorlu için dinamik model gerçekleme örneği
SEZER MEMİŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMAZAN YENİÇERİ
- Havalimanı apron emniyeti sorunlarının belirlenmesine yönelik nitel bir çalışma: Akıllı ulaşım sistemleri çözüm önerileri
Qualified study on determination of airport apron safety problems: Intelligent transportation systems solution proposals
HÜSEYİN KORKMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Sivil HavacılıkAnadolu ÜniversitesiSivil Havacılık Yönetimi Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SAVAŞ SELAHATTİN ATEŞ
- Turbojet motorlarda yanma odası sistemi için ısı kalkanı tasarımı ve analizi
Heat shield design and analysis for the combustion chamber system in turbojet engines
ONUR KARAASLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN GÜNEŞ