HAVACILIK UYGULAMALARI İÇİN STARTER/GENERATÖR TASARIMI VE KONTROLÜ

Abstract

Son yıllarda sera gazı salınımı ve yakıt tüketimini azaltmak için geleneksel uçaklarda kullanılan pnömatik, hidrolik ve mekanik sistemlerin yerine, elektrikli sistemlerin daha yaygın kullanımı olarak tanımlanan More Electric Aircraft (MEA)'a olan ilgi artmaktadır. MEA uçaklarda jet motorunun başlatılması ve artan elektrik gücü ihtiyacının karşılanması için hata toleransı ve verimi yüksek, bakım maliyeti ve ağırlığı düşük starter/generörlere (SG) ihtiyaç duyulmaktadır. SG için yüksek güç ve moment yoğunluğu, akı zayıflatma kabiliyeti, düşük atalet, geniş hız aralıklarında yüksek verimle çalışabilme gibi üstünlükleri nedeniyle İçten Mıknatıslı Senkron Makine (İMSM) öne çıkmaktadır. Hem mıknatıs hem de relüktans momentinden faydalanabilen bir tür hibrit makine yapısına sahip İMSM'nin performansının iyileştirilmesi, rotorda bulunan akı köprüleri, akı bariyerleri, mıknatısların yerleştiriliş biçimi ve boyutları ile değişmekte olup, çok amaçlı bir optimizasyon problemidir. İMSM için rotor içerisine yerleştirilen mıknatısların yüksek hızlarda maruz kaldığı ısı, mekanik sınırlamalar ve hata toleransı optimizasyon kısıtları olup, SG tasarımında multi disipliner analiz gerektirmektedir. Zorlu çalışma şartlarının geçerli olduğu havacılık SG'lerinin tasarımında, yüksek sıcaklıklarda çalışabilen SmCo mıknatıslar, manyetik geçirgenliği yüksek ve demir kayıpları düşük amorf metaller gibi özel malzemelerin kullanımı gündeme gelmiştir. Bu tez çalışmasında verim ve güç yoğunluğu yüksek, 5 fazlı İMSM'nin Pareto tabanlı çok amaçlı optimizasyonu gerçekleştirilerek, SG prototipi ve sürücüsü imal edilmiştir. Tasarlanan SG'nin boyutları, hem starter hem de generator çalışma için analitik modelden faydalanarak, diferansiyel evrim algoritması ile optimize edilmiştir. SG prototipinin testleri, tasarlanan bir sürücü ve test yatağı ile gerçekleştirilmiştir.

In recent years More Electric Aircraft (MEA) attracts attention in order to reduce greenhouse gas emission and fuel consumption, defines as common usage of electrical systems instead of pneumatic, hydraulic and mechanical systems. To meet with increased demand for electrical power in MEAs and cranking gas turbine engine fault tolerant, highly efficient, light weighted starter/generators (SG) that requires low maintenance are needed. Interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM) comes forward for SG designs due to its advantages such as high power and torque density, flux weaking ability, low inertia and high efficiency in wide operating speed. The IPMSM has a hybrid structure that benefits from magnet and reluctance torque. The machine performance varies with flux bridges, flux bariers, magnet arrangements and sizes used in rotor and requires an multiobjective optimization. For high speed IPMSM, the temperature sustained by the magnets placed in rotor, mechanical limitations and fault tolerance are the constraints of optimization and require multiobjective approach. The proper materials such as high thermal tolerant SmCo magnets, amorphous metals that have high magnetic permeability and low iron losses should be used in aviation due to harsh environment conditions. In this thesis, the multiobjective Pareto optimization of efficient IPMSM with high power density and 5 phases is realized for prototype and driver manufacturing. The dimensions of SG are optimized with differantial evolution algorithm which uses analytical models created for starter and generator operation separately. The prototype of SG is tested with self-designed driver circuit and test bed.