Tüp biçimli doğrusal jeneratör tasarımı ve uygulaması
Design and application of tubular type linear generator
Yazar: SERDAL ARSLAN
Danışman: PROF. DR. OSMAN GÜRDAL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Serbest piston mekanizmalarında doğrusal jeneratörler; ek mekanik bileşenlere (krank-biyel) gerek olmaksızın pistonun doğrusal kuvveti kullanılarak elektrik enerjisi üretebilme yeteneğine sahiptir. Bu uygulama alanlarında uygun güç değerlikleri için jeneratör tasarımının gerçekleştirilmesi önemlidir. Tez çalışmasında doğrusal jeneratör ile elektrik üretim prensipleri, doğrusal jeneratör çeşitleri ve topolojileri avantaj-dezavantajları bakımından incelenmiş ve kullanılan farklı sistemler hakkında genel bilgiler verilmiştir. Bu çalışma serbest piston uygulamalarında kullanılmak üzere tüp biçimli doğrusal jeneratör tasarımı, optimizasyonu ve prototip üretimini içermektedir. Tüp biçimli doğrusal jeneratör tasarımı boyutlandırma eşitlikleri verilmiştir. En uygun bağımsız tasarım değişkenlerinin belirlenmesi amacıyla Ansys-Tasarım araştırıcısı yardımıyla kolerasyon analizi yapılmıştır. Jeneratörün optimum tasarımı için verim hacim, ağırlık, maliyet, genel performans için amaç fonsiyonları tanımlanmıştır. Jeneratör temel boyutlarını analitik olarak hesaplayan Matlab Gui tabanlı arayüz geliştilmiştir. Bu arayüz Ansys/Maxwell ile haberleşebilmektedir ve dinamik yapıdadır. Analitik sonuçlar nümerik çözümleme için Ansys/Maxwell çözüm modüllerine temel tanımlama ve model çizimine ihtiyaç duymadan otomatik aktarılarak çözümler gerçekleştirebilmektedir. Matlab Gui'de geliştirilen algoritma ile belirlenen bağımsız değişkenler ve amaç fonksiyonları doğrultusunda jeneratörün en iyi geometrik boyutlarını hesaplayabilen bir program geliştirilmiştir. Farklı güç ve frekans değerleri için analitik boyutlandıma ve optimizasyon sonuçları verilmiştir. Geliştirilen program ile 3 fazlı 50 Hz, 6/4 oluk kutup oranlı, 600 VA gücünde jeneratör tasarımı analitik hesaplama sonuçları ile benzetim sonuçları kıyaslanmıştır. Ayrıca analitik ve nümerik optimizasyon sonuçları da karşılaştırılmıştır. Jeneratör boyutlandırılmasına dair elde edilen değerler ile jeneratör imalat çizimleri hazırlanmıştır. Tüp biçimli doğrusal jeneratörün prototip imalatı ve deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. İndüklenen gerilim teorik ve deneysel olarak karşılaştırılmıştır. Doğrusal hareketli sistem yaklaşık 550 d/d 10Hz ve 1100 d/d 20Hz çalışma durumlarında farklı elektriksel yükler için yük akımı ve yük gerilimi değerleri elde edilmiştir.

Abstract:
Linear generators at free piston mechanisms have the ability to generate electrical energy using linear force of the piston without the need for additional mechanical components (crank-link). It is important to design the generator for appropriate power ratings in these application areas. In the thesis study, power generation principles with linear generators, linear generator types and topologies are examined in terms of advantages and disadvantages and general information is given about the different systems used. This study includes tubular linear generator design, optimization and prototype production for use in free piston applications. The design of tubular type generator sizing equations are given in the thesis. AnsysDesign Explorer and correlation analysis were used to determine for the most appropriate independent design variables. Target functions for efficiency, volume, weight, cost, overall performance are defined for the optimum design of the generator. A Matlab Gui based interface has been developed that analytically calculates the generator base dimensions. This interface is able to communicate with Ansys / Maxwell and is dynamic. The analytical results can be automatically transferred to Ansys / Maxwell solution modules for numerical analysis without the need for basic identification and model drawing. Matlab Guide has developed a program that can calculate the best geometric dimensions of the generator in accordance with the arguments and objective functions determined by the algorithm developed. Analytical sizing and optimization results for different power and frequency values are given. With the program developed 3-phase 50 Hz, rated 6/4 oluk pole, 600 VA power generator design simulation results were compared with analytical calculation results. Besides, analytical and numerical optimization results are compared. Generator manufacturing drawings with the values obtained on the generator dimensioning were prepared. Tubular type linear generator prototypes and experimental studies have been performed. Induced voltage is compared theoretically and experimentally. Load current and load voltage values for different electrical loads were obtained at 10 Hz and 20 Hz operating states.