Yüksek hızlı hava araçları için yüksek güç yoğunluklu sürekli mıknatıslı senkron generatör tasarımı
Design of high power density permanent magnet synchronous generator for high speed aircraft
Yazar: RÜŞTÜ ÖNDER KALAYCIOĞLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ENGİN AYÇİÇEK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Makineleri Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Elektrik makineleri = Electric machinery ; Hava aracı = Air vehicle ; Jeneratörler = Generators ; Sürekli mıknatıslı senkron motorlar = Permanent magnet synchronous motors

Özet:
Hava araçları generatör ve batarya olmak üzere iki adet birincil elektrik enerjisi kaynağına sahiptir. Generatör ana elektrik enerjisi kaynağıyken batarya yardımcı enerji kaynağıdır. Havacılıkta kullanılan sistemler genellikle 115V-400Hz alternatif akımla veya 28V doğru akımla beslenmektedir. Bu kapsamda sabit 28V doğru akım güç çıkışı sağlayabilmelerinden dolayı tıpkı otomotiv sektöründe olduğu gibi havacılık sektöründe de pençe kutuplu senkron generatörler (alternatörler) yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak verimliliklerinin düşük olması, boyutlarının büyük olması, ağırlıklarının fazla olması, fırçalı yapıda oldukları için ömürlerinin kısa olması, emniyetli ve kararlı olmaması gibi sebeplerden dolayı havacılık sektörü bu elektrik makinelerinin yerine bir arayış içine girmiştir. Bu arayışın sonucu olarak son yıllarda pençe kutuplu senkron generatörler yerlerini sürekli mıknatıslı senkron generatörlere bırakmaya başlamıştır.
Sürekli mıknatıslı senkron makineler yıllar içinde makine tasarım araçlarının ve mıknatıs teknolojisinin gelişmesi ile birlikte kendine birçok alanda yer bulmaya başlamıştır. Havacılıkta, yapılarındaki sürekli mıknatıslar sayesinde harici bir uyartıma ihtiyaç duymamaları, uzun ömürlü olmaları, zorlu ortam koşullarında çalışabilmeleri, güç yoğunluklarının geleneksel senkron makinelere göre yüksek olması, güvenli ve kararlı olmaları gibi sebeplerden dolayı tercih sebebi olmaktadır. Havacılıkta sürekli mıknatıslı senkron generatörler farklı devirlerde sabit çıkış gerilimi veremediğinden dolayı güç elektroniği dönüştürücüleri ile birlikte kullanılır. Bu sisteme elektriksel güç üretim sistemi (EGÜS) adı verilmiştir.
Bu tez çalışmasında yüksek hızlı bir hava aracı için yüksek güç yoğunluklu sürekli mıknatıslı senkron generatör tasarımı yapılmıştır. Makinenin analitik yöntemlerle hesaplanan boyutlara göre ilk tasarımı yapılmış, daha sonra yapılan tasarım bir elektromanyetik analiz program ile analiz edildikten sonra tasarım optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Havacılık standartlarına uygun olması amacıyla makinenin tasarımında ve malzeme seçiminde güvenlik kritik yapıda olması sağlanmıştır.

Abstract:
Aircraft have two primary electrical energy sources, a generator and a battery. While the generator is the main source of electrical energy, the battery is the auxiliary energy source. In aviation, most of the systems uses 115V-400Hz alternating current or 28V direct current. In this context, claw-pole synchronous generators (alternators) are widely used in the aviation industry as well as in the automotive industry, as they can provide a constant 28V direct current power output. However, the aviation industry has started a search for these electrical machines due to reasons such as their low efficiency, large size, high weight, short lifetime due to their brushed structure, and not being safe and stable. As a result of this search, in recent years, claw-pole synchronous generators have started to give way to permanent magnet synchronous generators.
Permanent magnet synchronous machines have started to find a place for themselves in many areas with the development of machine design tools and magnet technology over the years. In aviation, they are preferred because they do not need external voltage supply thanks to the permanent magnets in their structure, they have a long lifetime, they can work in harsh environmental conditions, their power density is higher than traditional synchronous machines, they are safe and stable. In aviation, permanent magnet synchronous generators are used together with power electronics converters because they can not provide constant output voltage at different speeds. This system is called electrical power generation system.
In this thesis, designed a high power density permanent magnet sychronous generator for high speed aircraft. The first design of the machine was made according to the dimensions calculated by analytical methods, then the design was analyzed with an electromagnetic analysis program and the design optimization was carried out. In order to comply with aviation standards, it has been ensured that the machine is in a safety-critical structure in the design and material selection.