Optimizing operational efficiency in UAV control systems: the role of moment of ınertia reduction and magnetic permeability in electric motors
İHA Kontrol Sistemlerinde Operasyonel Verim Optimizasyonu; Elektrik Motorlarında Atalet Momentini Düşürmenin ve Manyetik Geçirgenliğin Rolü
- Tez No: 987999
- Danışmanlar: PROF. DR. NAKİ TÜTÜNCÜ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Doğru akım motorları, Direct current motors
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Çukurova Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, insansız hava aracı (İHA) kontrol sistemlerinde kullanılan dış rotorlu fırçasız DC (BLDC) motorlar için hafif rotor malzemesi olarak manyeto-dielektrik karbon fiber takviyeli polimer (CFRP) kompozitlerin uygulanabilirliğini değerlendirmektedir. Çalışmada, deneysel olarak ölçülen manyetik davranış, elektromanyetik performans, mekanik bütünlük ve dinamik enerji tüketimi temel odak noktaları olarak ele alınmıştır. 0-15 ağırlıkça yüzde oranlarında demir mikro-partikül içeren CFRP plakalar, ultrasonik dispersiyon destekli vakum yardımlı el yatırması yöntemiyle üretilmiştir. Manyetik özellikler PPMS-VSM cihazı kullanılarak karakterize edilmiş ve elde edilen veriler 12 oluklu, 8 kutuplu dış rotorlu bir BLDC motorun modellenmesi için doğrudan ANSYS Motor-CAD yazılımına aktarılmıştır. Kompozit konfigürasyonlar arasında en iyi genel performansı sergileyen %15 demir katkılı CFRP, en iyi performans gösteren çelik rotor malzemesi olan M235-35A elektrik çeliği ile doğrudan karşılaştırılmıştır. Motor-CAD simülasyonları sonucunda, M235-35A çelik rotorun 192.17 W çıkış gücü ve %88,79 sistem verimi sağladığı, %15 Fe katkılı CFRP rotorun ise 172.34 W çıkış gücüne %87,65 verim ile ulaştığı belirlenmiştir. Kompozit rotor daha düşük elektromanyetik güç üretmesine rağmen, daha düşük toplam kayıplar ve belirgin şekilde daha düşük rotor ataletine sahiptir. Bir saatlik hızlanma-yavaşlama profili boyunca M235-35A çelik rotor toplam 420.66 kJ, %15 Fe katkılı CFRP rotor ise 413.82 kJ elektrik enerjisi tüketmiştir. Bu sonuç, kompozit rotorun daha düşük tork kapasitesine rağmen ortalama elektriksel güç talebinin daha düşük olduğunu ortaya koymaktadır. Gerçekleştirilen Charpy darbe testleri, %15 Fe katkılı CFRP laminanın, tüm kompozit numuneler arasında en yüksek darbe dayanımını sergilediğini ve ortalama yaklaşık 3.93 J demir katkısı olmayan kompozit numunelere göre %28 daha yüksek darbe dayanımı sağladığı görülmüştür. M235-35A çeliğin maksimum çıkış gücü üstünlüğüne karşın %15 demir katkılı CFRP kompozitin, verim, daha düşük enerji tüketimi, maliyet ve mekanik performans arasında en iyi dengeyi sunduğunu göstermektedir. Bu nedenle söz konusu kompozit yapı, dinamik tepki kabiliyeti ve enerji verimliliğinin kritik olduğu İHA kontrol sistemlerine yönelik BLDC motorlar için güçlü bir rotor adayıdır. Rotor bazlı maliyet analizi, demir tozu katkılı CFRP rotorlar 0.42 USD/rotor seviyesindeki malzeme maliyetiyle AISI 1010 çeliğine (0.44 USD/rotor) yakın ve M235-35A elektrik sacından (0.52 USD/rotor) daha düşük maliyet sunduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
This thesis evaluates magneto-dielectric carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites as lightweight rotor materials for outer-rotor brushless DC (BLDC) motors used in Unmanned Aerial Vehicle (UAV) control systems, with emphasis on experimentally measured magnetic behavior, electromagnetic performance, mechanical integrity, and dynamic energy consumption. CFRP laminates containing 0-15 wt.% iron microparticles were manufactured using vacuum-assisted hand lay-up with ultrasonic dispersion. Magnetic properties were characterized via PPMS-VSM and directly implemented into ANSYS Motor-CAD for a 12-slot, 8-pole outer-rotor BLDC motor. Among composite configurations, the 15 wt.% iron-filled CFRP exhibited the best overall performance and was therefore selected for direct comparison with M235-35A electrical steel, representing the best-performing steel rotor. Motor-CAD simulations showed that the M235-35A steel rotor achieved an output power of 192.17 W with a system efficiency of 88.79%, while the 15 wt.% Fe CFRP rotor delivered 172.34 W output power at 87.65% efficiency. Although the composite rotor produced lower electromagnetic power, it exhibited reduced total losses and significantly lower rotor inertia. Over a one-hour acceleration and deceleration profile, the M235-35A steel rotor consumed 420,660 J, whereas the 15 wt.% Fe CFRP rotor consumed 413,820 J, demonstrating lower average electrical power demand despite reduced torque capability. Charpy impact testing showed that the 15 wt.% Fe CFRP laminate exhibited the highest impact resistance among all composite samples, with an average absorbed impact energy of approximately 3.93 J and it is %28 higher than no-filled iron composites. Overall, the results demonstrate that while M235-35A steel provides maximum output power, the 15 wt.% iron-filled CFRP composite offers the best balance between efficiency, reduced energy consumption, and mechanical performance, making it a strong candidate for BLDC motors in UAV control systems where dynamic response and energy efficiency are critical. A rotor-based cost comparison shows that iron powder CFRP rotor (0.42 USD/rotor) comparable to AISI 1010 steel (0.44 USD/rotor) and lower than M235-35A electrical steel (0.52 USD/rotor).
Benzer Tezler
- Bir insansız hava aracına ait kompozit kanadın tasarımı ve yapısal optimizasyonu
Design and structural optimisation of an UAV composite wing
MUHAMMED ATIF YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALAEDDİN BURAK İREZ
- Energy efficiency and security of rıs-aided communication networks
Ris-tabanli haberleşme ağlarinda enerji verimliliği ve güvenlik
HAKAN ALAKOCA
Doktora
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LÜTFİYE DURAK ATA
- Engellerden kaçınan ve çoklu hedef takib sistemi gerçekleştirebilen akıllı sürü İHA navigasyonu
Intelligent swarm UAV navigation system with obstacles avoidance and multi-target tracking capability
ELEBAID KHALID ELSAYED BAKHIT
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolPamukkale ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET ÖZEK
- UAV project management and design phases
İHA proje yönetimi ve tasarım aşamaları
AHMED KHALED SALAHELDIN ALI
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ONUR TUNÇER
- Aerial link orchestration
Hava bağlantılarının düzenlenmesi
BÜŞRA BAYRAM
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN SEÇİNTİ