Altitude dependent thermal model and analysis of an outrunner rotor permanent magnet synchronous motor for unmanned air-vehicle applications
İnsansız hava aracı uygulamaları için dış rotorlu kalıcı mıknatıslı senkron motorun irtifaya bağlı termal modeli ve analizi
- Tez No: 864106
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 77
Özet
Havacılık itki teknolojisinin gelişiminde, dış rotorlu kalıcı mıknatıslı senkron motor (DR-KMSM) yenilikçi bir teknoloji olarak ortaya çıkarak hava araçları için elektrik tahrik sistemlerinin yeteneklerini yeniden tanımlanmasına olanak sağlıyor. DR-KMSM'nin benzersiz tasarımı, kalıcı mıknatıslı senkron motorların doğasında bulunan avantajlarla birleşerek, DR-KMSM'leri havacılık mühendisliğinde yenilikçi bir güç olarak konumlandırır. DR-KMSM'ler, insansız hava aracı uygulamalarında itki olarak geniş bir şekilde kullanılır. DR-KMSM, güvenilirlik, verimlilik ve hassasiyetin kritik olduğu uzay ortamlarında birçok avantaj sunar. Kalıcı mıknatıslı motorlar, yüksek güç yoğunluğuna sahiptir. Küçük boyutlarına rağmen, yüksek güç çıkışlarına ulaşabilirler, bu da özellikle sınırlı alanlarda kullanıldıkları uygulamalarda avantaj sağlar. Dış rotor konfigürasyonu, rotorun kalıcı mıknatıslarını statoru çevreleyecek şekilde dış kenara doğru yerleştirilir. Bu geleneksel olmayan tasarım, daha büyük bir rotor çapına izin verir, böylece daha yüksek tork ve güç üretim yetenekleri sağlar. Güç-ağırlık oranlarının kritik olduğu havacılık uygulamalarında, dış rotor konfigürasyonu özellikle çekicidir. Dış rotor tasarımı, yüksek güç yoğunluğuna katkıda bulunarak, DR-KMSM'leri, kompakt, hafif çözümlerin zorunlu olduğu havacılık ortamları için uygun hale getirir. Kalıcı mıknatısların rotor içine doğrudan entegrasyonu, kayıpları en aza indirip rotor ve stator arasındaki manyetik akı etkileşimini en üst düzeye çıkararak verimliliği artırır. Havacılık uygulamaları, sadece güçlü değil, aynı zamanda uçuşun zorluklarına uyum sağlayabilen tahrik sistemlerini zorunlu kılar. DR-KMSM'ler, vektör kontrol teknikleri sayesinde sağladıkları yüksek tork kapasitesi ve hassas kontrolle, kalkıştan, inişe kadar farklı uçuş aşamalarında değişen itki gereksinimleri için optimal performans sunarlar. DR-KMSM'ler birçok avantaj sunmasına rağmen, dış rotoru için ısıl yönetim ve malzeme seçimi gibi zorluklar devam etmektedir. Süregelen araştırmalar, bu zorlukları aşmayı hedefleyerek, DR-KMSM'lerin havacılık uygulamaları için performans ve güvenilirliğini daha da optimize etmeyi amaçlamaktadır. Güvenilirlik, havacılık sistemlerinin temelidir ve motor sürücüleri, itki sisteminin sağlığını ve performansını güvence altına almak için kilit bir rol oynar. Motor sürücüsü içinde entegre sensörler ve izleme mekanizmaları, gerçek zamanlı teşhis ve geri bildirim sağlar. Bu yetenek, sistemin potansiyel sorunları proaktif bir şekilde tespit etme ve ele alma yeteneğini artırarak plansız bakım olasılığını azaltır ve genel güvenilirliği artırır. Havacılık uygulamalarının karmaşıklıkları, işletim koşullarına hassas ve güvenilir bir şekilde uyum sağlayabilen motor kontrol sistemleri gerektirir. DR-KMSM 'ler için tasarlanmış gelişmiş motor sürücüleri, tork, hız ve pozisyonun hassas yönetimini sağlayan alan zayıflatma (FOC) gibi karmaşık kontrol algoritmalarını kullanır. Bu kontrol seviyesi, kalkıştan inişe kadar farklı uçuş aşamalarında optimal performans elde etmek için önemlidir. İnsansız platformlar genellikle ağırlık kısıtlamalarına sahiptir. Yüksek güç-ağırlık oranına sahip bir motor seçmek, platformun ağırlığı kabul edilebilir sınırlar içinde tutarken yeterli güç üretebilmesini sağlar. Elektrik motorunun fiziksel boyutları, insansız platformdaki mevcut alana uygun olmalıdır. Kompakt ve hafif motorlar, alanı ve ağırlık dağılımını optimize etmek için tercih edilir. Yüksek verimlilik, doğrudan uçuş süresini ve genel enerji tüketimini etkilediği için insansız platformlar için kritiktir. Çeşitli çalışma koşullarında verimlilik sunan motorları seçilmelidir. İnsansız platformlar değişen çevresel koşullara maruz kalabilir. Etkili termal yönetim özelliklerine sahip motorlar, aşırı ısınmayı önlemek ve çeşitli işletme ortamlarında tutarlı performansı sağlamak için önemlidir. Yüksek irtifadaki bir elektrik motorunun ısıl etkisi, öncelikle hava yoğunluğundaki değişikliklerden etkilenir ve bu da motorun soğutma kapasitesiyle birlikte termal yayılımını etkiler. Bir insansız platform, daha yüksek rakımlara çıktıkça bir dizi temel faktör devreye girer. Daha yüksek rakımlarda hava yoğunluğu azalır. Azalan hava yoğunluğu, motorun soğuma için havaya bağımlı olması nedeniyle ısıyı dağıtma yeteneğini etkiler. Düşük yoğunluk, motor çalışma sırasında üretilen ısıyı taşımak için daha az hava bulunduğu anlamına gelir. Konveksiyon gibi doğal soğutma yöntemlerinin verimliliği, daha yüksek rakımlarda düşük hava yoğunluğu nedeniyle azalır. Bu nedenle, motor, yeterince etkili bir şekilde soğutulmazsa, artan sıcaklıklarla karşılaşabilir ve yeterince yönetilmezse aşırı ısınma olasılığı vardır. Uzayın atmosferden yoksun olması, ısı transfer mekanizmalarında önemli değişikliklere neden olur. Geleneksel hava koşullarının olmaması, radyasyon, konveksiyon ve iletkenlik gibi farklı ısı transfer yöntemlerinin motor üzerindeki etkilerini belirginleştirir. Motorların güneş ışığına doğrudan maruz kaldığı ve aynı zamanda gölgede çok düşük sıcaklıkların yaşandığı uzay koşulları, termal analizin önemini artırır. Bu durum, motorun geniş sıcaklık aralığındaki stabil performansını sağlamak adına termal yönetim stratejilerinin geliştirilmesini ve optimize edilmesini gerektirir. İrtifanın DR-KMSM verimine etkilerini anlamak, özellikle yüksek irtifa bölgelerinde faaliyet gösteren havacılık uygulamalar için önemlidir. Çünkü rakım, havanın yoğunluğunu, hava basıncını ve çevresel sıcaklığı değiştirir ve bu da soğutma performansındaki azalmaya neden olur. Yüksek irtifalarda uçuş performansı için itki hesaplandığından, elektrik motorlarının performansının daha yüksek irtifaların olumsuz soğutma etkilerine göre belirlenmesi önemlidir. Hava aracı itki motoru tasarlanırken, termal analiz öncelikle tamamlanmalıdır. Uzayda etkili bir soğutma sistemi, motorun aşırı ısınmasını ve performans kaybını önlemeye yardımcı olabilir. Soğutma sistemleri, uzaydaki değişken sıcaklık koşullarına ve vakum ortamına uygun bir şekilde tasarlanmalıdır. Ayrıca, malzemelerin uzaydaki yüksek radyasyon ve değişken sıcaklıklara dayanıklılığı, motorun uzun ömürlü ve güvenilir bir şekilde çalışabilmesi için büyük önem taşır. Ayrıca, güneş radyasyonu, motorun sıcaklık profiline etki ederek termal değişkenlikleri artırabilir. Bu tezde, bir DR-KMSM'nin irtifaya bağlı termal modelini sunmaktadır. Farklı irtifalarda değişen hava yoğunluğu, hava basıncı ve soğutma hava sıcaklığı etkilerini yansıtan bir dizi analiz, sabit işletme hızında tamamlanmıştır. İrtifa arttıkça, DR-KMSM 'nin termal performansının, azalan soğutma hava kütlesi ile ilgili olarak kötüleştiği görüldü. Soğutma yeteneğindeki değişiklik, irtifanın artmasıyla her irtifa seviyesi için DR-KMSM'nin nominal gücünü azaltır. Sonuçlar, itki için gerekli gücün, yüksek irtifasıdaki termal performans sonuçları göre seçilmesi gerektiğini kanıtlamıştır.
Özet (Çeviri)
In the dynamic and evolving landscape of aerospace propulsion, the outrunner rotor permanent magnet synchronous motor (OR-PMSM) emerges as a cutting-edge technology and redefine the capabilities of electric propulsion systems for aircraft. The unique design of the OR-PMSM, combined with the inherent advantages of permanent magnet synchronous motors, positions OR-PMSMs as a transformative force in aerospace engineering. OR-PMSMs are widely used as thrust in unmanned air vehicle applications. The OR-PMSM offers several advantages in space environments, where reliability, efficiency, and precision are critical. The outrunner rotor configuration distinguishes itself by placing the rotor's permanent magnets on the outer periphery, encircling the stator. This unconventional design allows for a larger rotor diameter, enabling higher torque and power generation capabilities. In aerospace applications, where power-to-weight ratios are critical, the outrunner configuration becomes particularly compelling. The outrunner design contributes to exceptional power density, making OR-PMSMs well-suited for aerospace environments where compact, lightweight solutions are imperative. The direct integration of permanent magnets into the rotor enhances efficiency by minimizing losses and maximizing the magnetic flux interaction between the rotor and stator. Aerospace applications demand propulsion systems that are not only powerful but also adaptable to the unique challenges of flight. OR-PMSMs, with their high torque capabilities and precise control afforded by vector control techniques, offer optimal performance for the varying thrust requirements of different flight phases, from takeoff to cruising and landing. While OR-PMSMs present numerous advantages, challenges such as thermal management and the selection of materials for the outrunner rotor persist. Ongoing research focuses on overcoming these challenges, with the aim of further optimizing the performance and reliability of OR-PMSMs for aerospace applications. Reliability is a cornerstone of aerospace systems, and motor drivers play a pivotal role in ensuring the health and performance of the propulsion system. Integrated sensors and monitoring mechanisms within the motor driver allow for real-time diagnostics and feedback. This capability enhances the system's ability to detect and address potential issues proactively, reducing the likelihood of unplanned maintenance and enhancing the overall reliability of the aerospace platform. The complex of aerospace applications demand motor control systems that can seamlessly adapt to varying operational conditions with precision and reliability. Advanced motor drivers designed for OR-PMSMs employ sophisticated control algorithms, such as field-oriented control (FOC), enabling precise management of torque, speed, and position. This level of control is essential for achieving optimal performance during different phases of flight, from takeoff to cruising, and landing. Unmanned platforms often have strict weight constraints. Choosing a motor with a high power-to-weight ratio ensures that the platform can generate sufficient power while keeping weight within acceptable limits. The physical dimensions of the electric motor must align with the available space on the unmanned platform. Compact and lightweight motors are preferable to optimize space and weight distribution. High efficiency is critical for unmanned platforms as it directly impacts the endurance and overall energy consumption. Look for motors that offer efficiency across a range of operating conditions. Unmanned platforms may experience varying environmental conditions. Motors with efficient thermal management capabilities are essential to prevent overheating and ensure consistent performance in diverse operating environments.The thermal effect of altitude on an electric motor is primarily influenced by changes in air density, which, in turn, affect the motor's cooling capacity and thermal dissipation. As an unmanned platform, such as a drone or aircraft, ascends to higher altitudes, several key factors. At higher altitudes, the air density decreases. Reduced air density affects the motor's ability to dissipate heat as it relies on air for cooling. The lower density means less air is available to carry away the heat generated during motor operation. The efficiency of natural cooling methods, such as convection, diminishes at higher altitudes due to lower air density. Consequently, the motor may experience increased temperatures, potentially leading to overheating if not adequately managed. In certain atmospheric conditions, temperature inversions can occur, where the temperature increases with altitude instead of decreasing. This inversion layer may trap heat around the motor, making it more challenging for the system to dissipate thermal energy. Understanding the effects of altitude on OR-PMSM efficiency is crucial for various industries and applications, especially those operating in high-altitude regions. As the altitude changes the density of the air, air pressure and the environment temperature decrease and this results in a reduction in cooling performance. Since the thrust is calculated for flying performance at high altitudes, it is important to determine the perfomance of the electrical motors according to the adverse cooling effects of higher altitudes. While designing air vehicle thrust motor, thermal analysis must be completed accordingly. This thesis presents an altitude dependent thermal model of an OR-PMSM. Numerous analysis were completed at constant operational speed for different altitude reflecting the effect of altered air density, air pressure and coolant air temperature. It was seen that as the altitude increases thermal perfomance of the OR-PMSM went worst related to the decreased coolant air mass. The change in cooling capability decreases the rated power of OR-PMSM for every altitude level as the altitude increases. The results proved that the needed power for thrust must be choosen for the operation altitude rather than chosing the motor according to the thermal performance results at sea level altitude.
Benzer Tezler
- Aerodinamik Isınmanın ve Isıl Koruma Sistemlerinin Aerodinamik Isınmaya Bağlı Termo-Kimyasal Aşınmasının İncelenmesi
Investigation of Aerodynamic Heating and Ablation of Thermal Protection Systems
BUĞRA ŞİMŞEK
Doktora
Türkçe
2019
Havacılık MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SITKI USLU
- İstanbul Çatalca bölgesinde uzaktan algılama yöntemleri ile metropoliten analizi
Başlık çevirisi yok
F.ZEHRA ALKAN
- Akıllı şebekelerde şebekeye bağlı ve şebekeden bağımsız hibrit yenilenebilir enerji sistemlerinin tekno-ekonomik karşılaştırmalı analizi ile akıllı ev uygulamaları
Techno-economic comparative analysis of grid-connected and islanded hybrid renewable energy systems and smart home applications in smart grids
ONUR AYAN
Doktora
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BELGİN EMRE TÜRKAY
- Doğal, tarihi kültürel açıdan turizm potansiyelini değerlendirme modeli: Ayvalık örneği
The tourism model for evaluation of natural, historical and cultural potential: A case of Ayvalık
İSMAİL HAKAN KOLCU
Yüksek Lisans
Türkçe
1993
Şehircilik ve Bölge Planlamaİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. VEDİA DÖKMECİ
- Termaller ve cumuluslerde meteorolojik parametrelerin ölçülmesi, analizi ve konvektif yapının modellenmesi
Measurements and analysis of the meteorological parameters in thermals and cumulus clouds and modelling of the conventive structure
ZAFER ASLAN