İnsansız hava araçları için lineer elektromanyetik fırlatıcı sistem tasarımı ve optimizasyonu
Design and optimization of linear electromagnetic launcher system for unmanned air vehicle
Yazar: İSMAİL TOPALOĞLU
Danışman: PROF. DR. OSMAN GÜRDAL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Teknik Eğitim = Technical Education
Dizin: Elektromanyetik = Electromagnetic ; Optimizasyon = Optimization ; Tasarım optimizasyonu = Design optimization ; Şekil optimizasyonu = Shape optimization

Özet:
Elektromanyetik fırlatıcı sisteminde kullanılan çeşitli motor tipleri; tek taraflı lineer indüksiyon motor, çift taraflı lineer indüksiyon motor, sabit mıknatıslı lineer senkron motor ve sabit mıknatıslı fırçasız doğru akım motorudur. Bu tez çalışmasında, insansız hava araçları için mekanik fırlatma sistemlerine alternatif olarak elektromanyetik bir fırlatıcı sisteminde kullanılmak üzere tek taraflı lineer indüksiyon motor tasarlanmıştır. Doktora tez çalışmasında tasarlanan motor özellikleri 3 fazlı, 8 kutuplu, 380 V, 6 m/s, yükü 5,84 kg (maksimum 40 kg) ve itme kuvveti 409,55 N'dur. Yapılan tasarımın klasik fırlatıcılara karşı yeni bir alternatif sunması beklenmektedir. Bu çalışmanın amacı fırlatma maliyetlerini azaltmak ve mobil bir fırlatma sistemi oluşturmaktır. Bu amaç için tasarlanan örnek motor tasarım parametreleri ve geometrik boyutlandırma eşitlikleri tezde sunulmuştur. Motorun geometrik boyutlarını hesaplayabilmek için analitik hesaplama yapabilen bir program geliştirilmiştir. Program, geliştirilen algoritma ile iteratif olarak en iyi geometrik boyut değerlerini elde etmeye çalışmaktadır. Çalışmada eşdeğer devre modeli kullanılarak fırlatma performansını geliştirmek için boyut optimizasyonu yapılmıştır. Boyut optimizasyon programı algoritmasında geliştirilen bu iteratif yapı kullanılmıştır. Amaç fonksiyonu, tasarım parametrelerinden verim, güç faktörü ve sistem ağırlığında denenmiş ve fırlatma performansına etkileri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar iki boyutlu sonlu elemanlar analizinde değerlendirilmiştir. Elde edilen benzetim sonuçları ve yazılımı gerçekleştirilen program sonuçları kıyaslanmış ve motor boyutuna dair elde edilen değerler ile motor imalat çizimleri hazırlanmıştır.

Abstract:
Various motor types used in the electromagnetic launcher systems, are single-sided linear induction motor, double-sided linear induction motor, permanent magnet linear synchronous motor and permanent magnet brushless DC motor. In this thesis study, single sided linear induction motor designed for using in an electromagnetic launcher system that would be alternative of mechanical launcher system for unmanned aerial vehicle. Design specifications are 8 poles, 3 phases, 380 V, 6 m/s rotor velocity, 5,84 kg payload and 409,55N thrust. It is expected that proposed design presents an alternative to conventional launchers. The purpose of the design is to reduce the cost of launching operation and constitute a mobile launcher system. For this aim, the designed prototype motor parameters and geometric dimension equations are presented in study. The software developed which can be calculated motor geometric dimensions analytically. The software uses developed algorithm to get optimum geometric dimensions iteratively. The dimension optimization using equivalent circuit model of linear electromagnetic launchers to improve launching performance. Goal function were tested at the launcher design parameters on efficiency, power factor, and weight, which are investigated influence on launching performance. Two-dimensional finite-element analysis evaluates the results from dimension optimization. The results of the software program and simulation results are obtained from comparing with the values obtained from sizing. At last, motor manufacturing drawings were prepared.