Design and implementation of double stage starter/generator for hybrid propulsion systems
Hibrit itki sistemleri için çift kademe starter/generator tasarımı ve uygulaması
- Tez No: 819912
- Danışmanlar: DOÇ. DR. TUĞBA SELCEN NAVRUZ, PROF. DR. İRES İSKENDER
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Gazi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 375
Özet
Sosyo-askeri sektördeki liderlik talebinin artması, yeni ve kompakt kavramların İHA'lara entegrasyonuna olan ilginin büyümesine öncülük etmektedir. Güç elektroniği, motor sürücüleri ve malzeme bilimindeki ilerlemeler, daha verimli sistemlerin geliştirilmesini sağlamaktadır. Bu da İHA'larda dikkate değer bir trend olan geleneksel mekanizmaların kompakt elektromanyetik sistemlere dönüştürülmesiyle uyumlu bir şekilde Starter/Generatör yapılarının önemli bir rol oynamasının önünü açmaktadır. Starter/ Generatör iki işlevi yerine getirir: motor modunda, pistonlu motorun çalıştırılması için ilk tahrik mekanizmasını sağlar ve itki sistemini destekler, generator modunda ise, pistonlu motor çalıştıktan sonra elektronik sistem bataryasını şarj eder. Yüksek enerji yoğunluğuna sahip nadir toprak mıknatıslarında kaydedilen yenilikçi ilerlemeler ise, manyetik kuplörlerin geliştirilmesini kolaylaştırmış ve pistonlu motor ile Starter/Generatör şaftları arasında manyetik olarak izole edilmiş, temassız güç iletimini mümkün kılmıştır. Bu tez, DCSG adı verilen yeni, yüksek verimli, yüksek hızlı, doğrudan tahrikli çift kademeli manyetik kuplörlü Starter/Generatörün geliştirilmesi ve uygulanması üzerine odaklanmaktadır. Amaç, mini/küçük sınıfında piston motorlu gözetleme İHA'lar için bir hibrit itki sistemi sağlamak ve böylece güvenliği, güvenirliliği, kullanılabilirliği, dayanıklılığı, ve uçuş süresini geliştirmektir. Starter/Generatör, iç rotorlu, kalıcı mıknatıslı fırçasız senkron bir makine olmakla birlikte, motor modunda 1 kW 4500 d/d, generatör modunda ise 1.25 kW 5500 d/d olacak şekilde tasarlanmıştır. Starter/Generatör'ün analitik tasarım modeline göre verimliliği %84'tür. Ancak RMxprt duyarlılık analizi parametrik çözümlemeleri ile verimlilik %87'ye yükseltilmiştir. Maxwell 2D/3D analizleri ve optimizasyonları ile de verimlilik %90'a çıkarılmıştır. Sisteme entegre edilen manyetik kuplörler, sistem tork gereksinimlerini karşılayan bir radyal senkron manyetik kuplör topolojisini benimsemektedir. Kuplör verimliliği, maksimum çalışma hızı ve kritik açıda %93,8'e, minimum tork açısı ve minimum çalışma hızında ise %96,9'a ulaşmaktadır. DCSG modelinin belirlenen görev bölgelerinde uygulanmasıyla, İHA itki verimliliği seyir halindeyken %20'den %45'e geliştirilmiştir. Sonuç olarak, uçuş süresi %24 oranında arttırılmıştır. Mutlak hata oranları, 2D SEY için %13, 3D SEY için ise %6 olarak hesaplanmıştır.
Özet (Çeviri)
The increasing demand for leadership in the socio-military sector has led to a growing focus on the integration of new, compact concepts into UAVs. Advancements in power electronics, motor drives, and material science have enabled the development of more efficient systems, which aligns with a notable trend in UAVs: the conversion of conventional mechanisms to compact electromagnetic systems, making Starter/Generator structures play a crucial role. The Starter/Generator serves two functions: acting as both the primary drive mechanism for initiating the piston engine and supporting the propulsion system in motor mode, while in generator mode, it charges the electronic system battery once the engine is running. Innovative progress in high energy density rare-earth magnets has also facilitated the development of magnetic couplers, enabling magnetically insulated, contactless power transmission between the shafts of the piston engine and the Starter/Generator. This thesis focuses on the development and application of a novel, highly efficient, high-speed, direct-drive double-stage magnetically coupled Starter/Generator, referred to as DCSG. The aim is to provide a hybrid propulsion system for mini/small scale piston-engined surveillance UAVs, ultimately enhancing safety, reliability, usability, endurance, and flight time. The Starter/Generator is an inner-runner permanent magnet brushless synchronous machine, with specifications of 1 kW at 4500 rpm for motor mode and 1.25 kW at 5500 rpm for generator mode. The analytical design model efficiency of the Starter/Generator is 84%. However, through tuning with RMxprt sensitivity analysis, the efficiency is increased to 87%. Further evolutions are achieved through Maxwell 2D/3D analyses and optimisations, resulting in an efficiency of 90%. The magnetic couplers employed in the system adopt a radial synchronous magnetic coupler topology, while meeting stringent torque requirements of 6 N.m and 12 N.m. The coupler efficiency reaches 93.8% at maximum operating speed and critical angle, and 96.9% at minimum torque angle and minimum operating speed. By implementing the DCSG in designated mission zones, the UAV propulsion efficiency has been improved from 20% to 45% in cruise. As a result, the flight time has increased by 24%. The absolute error rates are determined to be 13% for the 2D FEM and 6% for the 3D FEM.
Benzer Tezler
- İki kademeli helisel dişli kutusunun bilgisayar destekli parametrik tasarımı
Başlık çevirisi yok
UFUK ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiHavacılık Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MUZAFFER ERTEN
- High-level synthesis of a hardware accelerator for quaternion to Euler angles conversion
Kuaterniyondan Euler açılarına dönüşüm için donanım hızlandırıcısının yüksek seviyeli sentezi
SERKAN ŞENEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMAZAN YENİÇERİ
- Rüzgar enerjisi dönüşüm sistemlerinin aerodinamik kapsamı ve güç belirlenmesi analizlerinde potansiyel akım yöntemleri
Aerodynamic aspects of wind energy conversion systems and potential flow methods in performance prediction analysis
ALİ ALPER AKYÜZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. M. ADİL YÜKSELEN
- Okunabilir kopyalama algoritmalı DSM sisteminin gerçeklenmesi
Başlık çevirisi yok
ÖZGÜR KORAY ŞAHİNGÖZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TAKUHİ NADİA ERDOĞAN
- Next-generation MIMO systems: From index modulation to deep learning
Yeni nesil çok-girişli çok-çıkışlı sistemler: İndis modülasyonundan derin öğrenmeye
BURAK ÖZPOYRAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR