Havacılık uygulamaları için emniyet kritik daimimıknatıslı alternatör tasarımı ve analizi
Design and analysis of safety critical permanent mangetalternator for aviation applications
Yazar: HÜSEYİN ERSÖZ
Danışman: DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Alternatörler = Alternators ; Güç üretim sistemleri = Power production systems ; Hata toleransı = Fault tolerance ; Hava aracı = Air vehicle

Özet:
Havacılık motorları, hava araçlarına itki veren temel bileşen olmanın yanında
barındırdıkları elektriksel güç üretim sistemleri ile platformun ihtiyaç duyduğu
elektrik enerjisinin üretilmesini sağlar. Hava araçlarında güç üretim ihtiyacı, içten
yanmalı motorun başlatılması için bir elektrik motoru olan marş motorlarının
kullanılması ile başlamıştır. Zaman içerisinde ilerleyen teknoloji ile birlikte hava
araçlarına iç aydınlatma, ısıtma ve haberleşme gibi elektikle çalışan sistemler
eklenmeye başlanmıştır. Bunun yanında motor ve platformda hidrolik, mekanik ve
pinomatik sistemler yerine daha yüksek verimli olan elektrikli sistemler kullanılmaya
başlanmıştır. Hava araçlarının ihtiyaç duyduğu elektrik enerjisi gelişen teknoloji ile
beraber günden güne artmakta ve elektriksel güç üretim sistemlerinin güç yoğunluğu
giderek artmaktadır. Yüksek güç yoğunluğunu sağlamak adına elektriksel güç üretim
sistemlerinde sürekli mıknatıslı alternatörler tercih edilir.
Bir hava aracının havada kalabilmesi için elektrik enerjisi gereklidir ve bu enerjiyi
sağlayan güç üretim sisteminin en zorlu koşullarda bile aktif olması ve hata
durumlarında platforma zarar vermemesi kritik bir öneme sahiptir. Bu sebeple yüksek
güç yoğunluğunun yanında elektriksel güç üretim sistemlerinin hata toleransının
yüksek olması gereklidir. Böylece olası bir hata durumunda içten yanmalı motor
çalışmasına devam etmeli ve platform görev süresini tamamlamalıdır. Ayrıca hata
anında ve sonrasında motorda ve platformda oluşacak tahribat en düşük seviyede
tutulmalıdır.
Bu çalışma kapsamında hata toleransı en yüksek olan sürekli mıknatıslı alternator
topolojisini belirlemek adına aynı tepe seviyede isterlere sahip gömülü mıknatıslı
generatör, mıknatıs destekli senron relüktans makine ve yüzey mıknatıslı generatör
tasarımları gerçekleştirilmiş olup, emniyet kritiklik, ağırlık ve üretilebilirlik
bakımından karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonucunda hava aracı güç sistemlerinde
kullanılması en uygun olan topoloji belirlenmiş ve hata toleransını artırmaya yönelik
tasarım çözümleri bu topolojiye uygulanmıştır.
Alternatör analitik tasarım ve elektromanyetik analizleri sonlu elemanlar paket
programları olan JMAG ve ANSYS MAXWELL ile gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın
son bölümdünde en iyileştirilmiş tasarımın rölanti ve maksimum devirdeki
performansı elde edilmiştir. Ayrıca 3 boyutlu analiz ile demir ve bakır kayıpları
çıkarılıp verim hesabı yapılmıştır. Ek olarak tasarımı yapılan hata toleransı yüksek,
emniyet kritik alternatörü geliştirmeye yönelik öneriler sunulmuştur.

Abstract:
In addition to being the main component that propels aircraft, aviation engines provide
the electrical energy needed by the platform with the electrical power generation
systems they contain. The need for power generation in aircraft started with the use of
starter motor, which is an electric motor to start the internal combustion engine. With
the advancing technology over time, electrical systems such as interior lighting,
heating and communication have been added to aircraft. In addition, more efficient
electrical systems have been used instead of hydraulic, mechanical and pneumatic
systems in the engine and platform. The electrical energy required by aircraft is
increasing day by day with the developing technology and the power density of
electrical power generation systems is increasing. In order to provide high power
density, permanent magnet alternators are preferred in electrical power generation
systems.
Electrical energy is required for an aircraft to stay in the air, and it is critical that the
power generation system that provides this energy is active even in the most
challenging conditions and does not damage the platform in case of any failures. For
this reason, besides high power density, fault tolerance of electrical power generation
systems must be high. Thus, in case of a possible fault, the internal combustion engine
should continue to operate and the platform should complete its duty period. In
addition, the damage to the engine and platform during and after the fault should be
kept at the lowest level.
In order to realize the alternator design with high fault tolerance, which is the aim of
the study, the alternator fault modes were examined first. Open-circuit faults and shortcircuit
faults can have great effects on the engine and platform. For this reason, it is
evaluated within the scope of critical errors and classified as primary errors. Magnet
errors, on the other hand, depend on operating and ambient conditions. Since only
insulation measures can reduce the effects on the engine and platform, they are
considered as non-critical faults and classified as secondary faults.
In this study, general operating principles, characteristics and design solutions to
increase fault tolerance of electrical power generation system alternators used in
aircraft are presented. Detailed information is given about permanenet magnet assisted
synchronous reluctance machines, interior permanent magnet machines and surface
mounted permanent magnet machines. In permanent magnet assisted synchronous
reluctance machines and interior permanent magnet machines, permanent magnets are
resistant to centrifugal forces at high speeds as they are inside the rotor core, and they
produce reluctance torque due to the magnetic reluctance difference between q and d
axis, but the harmonic amplitudes that distort the emf waveform are relatively higher.
For this reason, the optimization of ferrous core materials between magnets and
between magnets and air gap should be done meticulously, and additional design
xxii
measures are required to make the emf waveform approach sinusoidal form. In surface
mounted permanent magnet machines, resistance to centrifugal forces at high speeds
is provided by the rotor sleeve. The emf waveform is quite smooth. In addition, since
the rotor core is thin, it is very advantageous in terms of weight.
In this study, in order to determine the permanent magnet alternator topology with the
highest fault tolerance, interior permanent magnet generator, permanent magnet
assisted synchronous reluctance generator and surface mounted permanent magnet
generator designs with the same requirements were carried out and compared in terms
of safety criticality, weight and manufacturability. As a result of the comparison, the
most suitable topology to be used in aircraft power systems was determined and design
solutions to increase fault tolerance were applied to this topology. For example, by
increasing the number of phases, the power outputs are backed up as 2, 3 phases with
the same characteristics, the outputs are electrically and magnetically isolated from
each other, the amount of magnets used and the air gap have been optimized, the
winding structure has been changed, the stator tooth geometry (tooth tip thickness and
slot opening) has been optimized and a magnetic slot wedge is added to the slot
openings and its thickness is optimized. Working conditions were analyzed for the
optimized design that emerged after the applied design solutions. In addition, loss and
demagnetization analyzes were carried out.
Analytical design and electromagnetic analysis of the alternator were carried out with
finite element package programs JMAG and ANSYS MAXWELL. In the last part of
the study, the performance of the optimized design at idle and maximum speed was
obtained. In addition, iron and copper losses were calculated by 3D analysis and yield
calculations were made. In addition, suggestions are presented for the development of
the designed safety critical alternator with high fault tolerance.