Milli havacılık uygulamalarında marş generatörü yalıtım arızalarının öngörülü tespitine katkılar
Contributions to the predictive detection of insulation failures in starter generators for national aviation applications
- Tez No: 955007
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- 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: 81
Özet
Doğru akım elektrik makineleri, kompakt yapıları, düşük maliyetleri ve kolay kontrol edilebilmeleri sayesinde küçük ölçekli hava araçları ile insansız hava araçlarında geniş bir kullanım alanına sahiptir. Özellikle askeri sistemlerde, 28 VDC güç hatlarını beslemek amacıyla ana güç kaynağı olarak tercih edilirler. Ayrıca, hava araçlarının ana motorlarını çalıştırmak için DA marş motorları kullanılır. Bu iki işlevi bir arada gerçekleştirebilen sistemler ise marş generatörü olarak adlandırılır ve tek bir DA makineyle hem marş hem de jeneratör görevi üstlenir. Bu makinelerde marş motoru modundan jeneratör moduna geçiş hızın artası ile gerçekleşir. Yani öncelikle marş generatörleri harici güç kaynağından beslenerek motora marş verirler ve motorda yanma gerçekleştikten sonra motor hızlanmaya başlar bu hızlanma marş modundan jeneratör moduna geçişi sağlar. Hava araçlarında yaygın olarak kullanılan marş generatörleri fırçalı şönt DA elektrik makineleridir. Hava araçları ile farklı irtifalarda faaliyet gösteren fırçalı şönt DA marş motorları değişken fiziksel koşullara karşı sağlıklı ve güvenli bir şekilde çalışmaya devam etmelidir. İrtifa değişimi ile farklılaşan atmosferik koşullar elektrik makinelerinin tüm mekanizması ve özellikle sargı yalıtımları üzerinde stres oluşturmaktadır. Atmosferik koşullarda meydana gelen değişimler sargı yalıtımlarının dielektrik dayanımlarını da etkilemektedir. Bu çalışma ile irtifa değişiminin fırçalı şönt DA marş generatör sargı yalıtımları üzerindeki elektriksel sonuçlarının belirlenmesi hedeflenmiştir. Bu hedef doğrultusunda fırçalı şönt DA marş generatörünün modeli kurulmuş ve çeşitli koşullarda sayısal temelli analizler gerçekleştirilmiştir. Bu çalışma simülasyon bazlı yaklaşım sunmuştur. Analiz için ANSYS Maxwell 2D yazılımı dahilinde bulunan elektrostatik çözümü kullanılmıştır. ANSYS Maxwell 2D özellikle döner elektrik makineleri, transformatörler ve aktüatörler gibi manyetik alana dayalı sistemlerin tasarım ve optimizasyonunda kullanılan Sonlu Elemanlar Yöntemi tabanlı simülasyon yazılımıdır. Sonlu Elemanlar Yöntemi mühendislik ve fizik problemlerinin sayısal çözümünde kullanılan, karmaşık yapıları basit ve sonlu yapılara bölerek analizlerini gerçekleştiren mühendislik yöntemidir. ANSYS Maxwell 2D ortamında bir fırçalı şönt DA marş generatörü modeli oluşturulmuştur. Marş generatörü modelinde uyarma sargıları, endüvi sargıları ve yardımcı kutup sargıları detaylıca çizilmiştir. Üç sargı yapısı da analiz sonuçlarının güvenilirliğini arttırmak amacıyla fiziksel olarak farklı türlerde seçilmiştir. Uyarma sargıları dairesel kesitli çizilmiş ve ana kutup ile sargı arasında hava boşluğu bırakılmıştır. Endüvi sargıları dikdörtgen kesitli çizilmiş ve sargı olukları ile sargı arasında hava boşluğu bırakılmıştır. Yardımcı kutup sargıları ise dikdörtgen kesitli çizilmiş olup yardımcı kutup ile sargı arasında hava boşluğu bırakılmamıştır. Bu şekilde çeşitli sargı türleri üzerinde irtifa değişiminin etkisi analiz edilebilir olmuştur. Bununla beraber her bir sargı yalıtımı üzerinde çeşitli deformasyonlar oluşturulmuş ve bu deformasyonlarında irtifa etkisi ile analizi sağlanmıştır. Her bir sargı öncelikle deformasyonsuz analiz edilmiş, sonrasında ayrı ayrı çatlak deformasyonu, kabarcık deformasyonu, girinti deformasyonu ve çıkıntı deformasyonu ile analiz edilmiştir. Bu şekilde irtifa etkisini çeşitli koşullarda geçerliliği sınanmıştır. İrtifa etkisi simülasyona sargı yalıtımlarının ve hava boşluklarının dielektrik geçirgenlikleri ile verilmiştir. İrtifa değişimi atmosferik koşulların değişimi ile ilişkilendirilmiş ve değişen atmosferik koşullardan sıcaklık, bağıl nem ve basınç parametreleri değerlendirilmiştir. Basınç, bağıl nem ve sıcaklık değerleri her bir irtifa için belirlenmiş ve bu değerler ile makine dahilinde bulunan yalıtkanların dielektrik geçirgenlikleri irtifa bazında hesaplanmıştır. Marş jeneratöründe yalnızca sargı yalıtımlarının ve hava boşluklarının dielektrik geçirgenlikleri irtifaya bağlı değişken olarak atanmış, sargı çekirdekleri ve makine iskeleti malzemelerinin dielektrik geçirgenlikleri sabit tutulmuştur. Makine dahilinde boşluklar için hava malzemesi tanımlanmıştır. Sargı yalıtımları için ise yüksek kararlılık ve dayanımları nedeni ile havacılık ve uzay uygulamalarında sıklıkla tercih edilen Kapton malzeme tanımlanmıştır. İrtifa etkisi sargı yalıtım malzemesi dielektrik sabitinde yalnızca bağıl nem ile ilişkilendirilmiş, sıcaklık ve basınç parametrelerinden ihmal edilebilir düzeyde etkilendiği için hesaplamaya dahil edilmemiştir. Hava için ise sıcaklık, basınç ve bağıl neme dayalı dielektrik geçirgenlik hesaplanmıştır. Bunlara ek olarak, analizler yalnızca fırçalı şönt DA marş jeneratörü için gerçekleştirilmiş, diğer makine tipleri ve konfigürasyonlar değerlendirme dışı bırakılmıştır. Gerçekleştirilen analizler, her bir deformasyon tipi, irtifa seviyesi ve sargı yalıtımına karşılık gelen senaryolar halinde gruplandırılarak değerlendirilmiştir. Bu kapsamda üç farklı sargı yalıtımı (uyarma sargısı, endüvi sargısı, yardımcı kutup sargısı) için beş deformasyon türü (deformasyonsuz, kabarcık deformasyonlu, çatlak deformasyonlu, girinti deformasyonlu ve çıkıntı deformasyonlu) ayrı ayrı modellenmiş ve her biri beş farklı irtifa seviyesinde (0 ft, 10.000 ft, 20.000 ft, 30.000 ft, 40.000 ft) analiz edilmiştir. Böylece toplamda 75 farklı senaryo oluşturulmuştur. Bu senaryolar üzerinden elde edilen maksimum elektrik alan değerleri karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Analiz sonuçlarında elektrik alan yoğunluklarının sivri uç içeren dikdörtgen kesitli endüvi ve yardımcı kutup sargısı yalıtımlarında daha fazla olduğu görülmüştür. Endüvi sargısı yalıtımı ile yardımcı kutup sargısı yalıtımları arasında da kutup ile arasında hava boşluğu bulunmayan yardımcı kutup sargı yalıtımlarında elektrik alan yoğunluklarının daha yüksek olduğu görülmüştür. Bu çalışmanın asıl amacı değerlendirildiğinde tüm sargı yalıtım ve deformasyon kombinasyonlarında irtifa arttıkça maksimum elektrik alan değerinin arttığı görülmüştür. Bu artış, özellikle yüksek irtifalarda yalıtım malzemelerinde korona oluşumu, kısmi deşarj ve yalıtım delinmesi gibi elektriksel arızaların meydana gelme riskini artırmaktadır. Böyle bir durumda marş generatörünün görevini yerine getirememesi, güç sistemini besleyememesi ya da motoru çalıştırma işlevini kaybetmesi söz konusu olabilir. Bu tür aksaklıklar, hava araçlarında ciddi sonuçlara yol açabileceğinden, marş generatörlerinin tasarım sürecinde irtifa değişiminin yalıtım sistemleri üzerindeki etkilerinin de dikkate alınması büyük önem taşımaktadır. Çalışma ile havacılıkta yaygın olarak kullanılan fırçalı şönt DA marş generatörlerinin yalıtım hataları ve kısa devre arızaları olaylarında irtifa değişiminin kritik bir rol oynadığı doğrulanmıştır. Bulgular, değişken irtifalara ve dolayısıyla değişken hava koşullarına dayanabilen gelişmiş yalıtım malzemelerine veya koruyucu kaplamalara olan ihtiyacı vurgulamaktadır. Çalışma sonuçları yüksek irtifa uygulamaları için gelişmiş yalıtım malzemelerinin seçilmesinin önemini ortaya koymakta ve öngörülü bakım stratejilerinin marş generatörlerinin çalışma ömrünü uzatmaya, güvenilirliği artırmaya yardımcı olabileceğini göstermektedir. Gelecekteki çalışmalar yalıtım bozulma eğilimlerini gerçek zamanlı olarak değerlendirmek için makine öğrenmesi tekniklerini kullanan tahmin bazlı modeller geliştirmeye odaklanmalıdır. Ayrıca yalıtım ömrünü ve güvenilirliğini artırmak amacıyla ileri nanokompozitler ve hibrit yalıtım sistemlerinin kullanımına yönelik araştırmalara devam edilmelidir. Yalıtım sağlığını izlemek için gerçek zamanlı izleme sistemlerinin uygulanması, uçuş sırasında oluşabilecek elektrik arızalarının erken tespitini sağlayarak önlenmesine yardımcı olacaktır. Bu tez çalışması İstanbul Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi tarafından MYL-2024-46298 proje kodu ile Lisansüstü Tez Projesi kapsamında desteklenmiştir.
Özet (Çeviri)
Direct current electric machines have a wide range of use in small-scale aircraft and unmanned aerial vehicles due to their compact structure, low cost and easy control. They are preferred as the main power source to feed 28 VDC power lines, especially in military systems. In addition, DC starter motors are used to start the main engines of aircraft. Systems that can perform these two functions together are called starter generators and act as both starter and generator with a single DC machine. In these machines, the transition from starter motor mode to generator mode occurs with the increase in speed. In other words, first of all, the starter generators are fed from the external power source and start the engine, and after combustion occurs in the engine, the engine starts to accelerate, this acceleration provides the transition from starter mode to generator mode. Starter generators commonly used in aircraft are brushed shunt DC electric machines. Brushed shunt DC starter motors operating at different altitudes with aircraft must continue to operate healthily and safely against variable physical conditions. Atmospheric conditions that change with altitude create stress on the entire mechanism of electrical machines and especially on winding insulations. Changes in atmospheric conditions also affect the dielectric strength of winding insulations. This study aims to determine the electrical results of altitude changes on winding insulations of brushed shunt DC starter generators. In this direction, a model of the brushed shunt DC starter generator was established and analyzes were performed under various conditions. This study presents a simulation-based approach. The electrostatic solution in ANSYS Maxwell 2D software was used for the analysis. ANSYS Maxwell 2D is a Finite Element Method-based simulation software used in the design and optimization of magnetic field-based systems, especially rotating electric machines, transformers and actuators. Finite Element Method is an engineering method used in the numerical solution of engineering and physics problems, dividing complex structures into simple and finite structures and performing their analyses. A brushed shunt DC starter generator model was created in ANSYS Maxwell 2D environment. In the starter generator model, field windings, armature windings and auxiliary pole windings were drawn in detail. All three winding structures were selected as physically different types in order to increase the reliability of the analysis results. Field windings were drawn with circular cross-section and an air gap was left between the main pole and the winding. Armature windings were drawn with rectangular cross-section and an air gap was left between the winding grooves and the winding. Auxiliary pole windings were drawn with rectangular cross-section and no air gap was left between the auxiliary pole and the winding. In this way, the effect of altitude change on various winding types could be analyzed. In addition, various deformations were created on each winding insulation and these deformations were analyzed with the altitude effect. Each winding was first analyzed without deformation, then separately with crack deformation, bubble deformation, indentation deformation and protrusion deformation. In this way, the validity of the altitude effect was tested under various conditions. The altitude effect is given to the simulation with the dielectric permittivities of winding insulations and air gaps. The altitude change is associated with the change of atmospheric conditions and the temperature, relative humidity and pressure parameters from the changing atmospheric conditions are evaluated. The pressure, relative humidity and temperature values are determined for each altitude and with these values, the dielectric permittivities of the insulators inside the machine are calculated based on altitude. In the starter generator, only the dielectric permittivities of the winding insulations and air gaps are assigned as altitude-dependent variables, and the dielectric permittivities of the winding cores and machine frame materials are kept constant. Air material is defined for the gaps inside the machine. Kapton material, which is frequently preferred in aviation and space applications due to its high stability and strength, is defined for winding insulations. The altitude effect is associated only with the relative humidity in the winding insulation material dielectric constant and is not included in the calculation since it is negligibly affected by the temperature and pressure parameters. In addition, the dielectric permittivities based on temperature, pressure and relative humidity are calculated for air. In addition, the analyses were performed only for the brushed shunt DC starter generator, and other machine types and configurations were excluded from the evaluation. The analyses performed were grouped and evaluated in scenarios corresponding to each deformation type, altitude level and winding insulation. In this context, five deformation types (without deformation, bubble deformation, crack deformation, indentation deformation and protrusion deformation) were modeled separately for three different winding insulations (excitation winding, armature winding, auxiliary pole winding) and each was analyzed at five different altitude levels (0 ft, 10,000 ft, 20,000 ft, 30,000 ft, 40,000 ft). Thus, a total of 75 different scenarios were created. The maximum electric field values obtained from these scenarios are presented comparatively. The analysis results show that the electric field densities are higher in rectangular section armature and auxiliary pole winding insulations containing pointed tips. It is observed that the electric field densities are higher in auxiliary pole winding insulations that do not have an air gap between the pole and the armature winding insulation and the auxiliary pole winding insulations. When the main purpose of this study is evaluated, it is seen that the maximum electric field value increases as the altitude increases in all winding insulation and deformation combinations. This increase increases the risk of electrical failures such as corona formation, partial discharge and insulation puncture in insulation materials, especially at high altitudes. In such a case, the starter generator may not be able to fulfill its duty, cannot feed the power system or may lose its function of starting the engine. Since such failures can lead to serious consequences in aircraft, it is of great importance to consider the effects of altitude change on insulation systems in the design process of starter generators. The study confirmed that altitude change plays a critical role in insulation failures and short circuit faults in brushed shunt DC starter generators, which are widely used in aviation. The findings emphasize the need for advanced insulation materials or protective coatings that can withstand variable altitudes and therefore variable weather conditions. The study results highlight the importance of selecting advanced insulation materials for high altitude applications and suggest that predictive maintenance strategies can help extend the operational life of starter generators and increase reliability. Future studies should focus on developing predictive models that use machine learning techniques to assess insulation deterioration trends in real time. In addition, research should continue on the use of advanced nanocomposites and hybrid insulation systems to increase insulation life and reliability. Implementation of real-time monitoring systems to monitor insulation health will help prevent electrical faults that may occur during flight by providing early detection. This thesis study was supported by the Scientific Research Projects Unit of Istanbul Technical University under the project code MYL-2024-46298 as part of a Graduate Thesis Project.
Benzer Tezler
- Devre uygulamalarında memristif eleman ve sistemlerin kullanımı
Using of memristive elements and systems in circuit applications
MEHMET MUSTAFA GÖZÜKÜÇÜK
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMilli Savunma ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SERDAR MENEKAY
DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ ÖZENLİ
- Mikrodalga ile görüntüleme uygulamaları
Microwave imaging applications
NURİ GÖKMEN KARAKİRAZ
Doktora
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMilli Savunma ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERSİN GÖSE
- Sezgisel optimizasyon teknikleriyle X-bant radar dizi anten tasarımı
X-band radar antenna array design using heuristic optimization methods
EMRE HANBAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMilli Savunma ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA EMRE AYDEMİR
- Tek kademeli eksenel akışlı türbin dizaynı
Single stage axial turbine design
ERHAN AĞZITEMİZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiMilli Savunma ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DOĞUŞ ÖZKAN
- Elektromanyetik kalkanlama uygulamalarına yönelik epoksi matrisli nanokompozitlerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of epoxy matrix nanocomposites for electromagnetic shielding applications
BEGÜM BERİL İNCECİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZARİFE GÖKNUR BÜKE