Buradasınız

Anasayfa » Content

LİNEER ELEKTROMANYETİK FIRLATICI SİSTEM TASARIMI VE EŞDEĞER DEVRE MODELİ KULLANARAK GELİŞTİRİLMİŞ FIRLATMA PERFORMANSI İÇİN BOYUT OPTİMİZASYONU

DESIGN OF LINEAR ELECTROMAGNETIC LAUNCHER SYSTEM AND DIMENSION OPTIMIZATION USING EQUIVALENT CIRCUIT MODEL OF LINEAR ELECTROMAGNETIC LAUNCHERS TO IMPROVE LAUNCHING PERFORMANCE

Journal Name:

  • Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi

Publication Year:

  • 2013

Key Words:

Keywords (Original Language):

Author NameUniversity of AuthorFaculty of Author
Abstract (2. Language): 
In this study, single side linear induction motor has been designed to use 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 has been developed which can calculate the 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 tested at the launcher design parameters on the efficiency, power factor, and weight, which investigated influence on launching performance. Two-dimensional finite-element analysis evaluates the results from the dimension optimization.
Bookmark/Search this post with
Abstract (Original Language): 
Bu çalışmada, insansız hava araçları için mekanik fırlatma sistemlerine alternatif olarak elektromanyetik bir fırlatıcı sistemde kullanılmak üzere tek taraflı lineer indüksiyon motor tasarlanmıştır. Çalışmada tasarlanan motor özellikleri 3 fazlı, 8 kutuplu, 380 V, 6 m/s, yükü 5,84 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 çalışmada 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. 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.
FULL TEXT (PDF): 
PDF icon arastirmax-lineer-elektromanyetik-firlatici-sistem-tasarimi-esdeger-devre-modeli-kullanarak-gelistirilmis-firlatma-performansi-icin-boyut-optimizasyonu.pdf
  • 1
103
113
  • Turkish

REFERENCES

References: 

1. Gürdal, O, "Electromagnetic Field Theory",
Nobel Press, Ankara, 2000.
2. Gürdal, O, "Design of Electrical Machines",
Nobel&Atlas Press, Ankara, 2001.
3. Westinghouse Engineer, “A wound rotor, 1400
feet long", 160-161, 1946.
4. Jones, M.F, “Three phase linear motor catapult
system,” U.S.Patent 2404984, July 30, 1946.
5. Yamamura, S, "Theories Of The Linear,
Induction Motor", Wiley Press, New York, 1979.
6. Boldea, I, ve Syed A. N, "Linear Electric
Actuators and Generators", Cambridge
Unıversity Press.
Tablo 5. Tasarlanan motora ait tasarım sonuç değerleri (Design result values of designed motor)
No Tasarım Sonuç Parametresi ve Birimi Tasarım-1 Tasarım-2 Tasarım-3
1 Maks. Min. Maks. Min. Maks. Min.
2 Kutup adımı (metre) 0,0667 0,0667 0,0606 0,0606 0,0716 0,0716
3 Oluk adımı (metre) 0,0215 0,0215 0,0215 0,0215 0,0232 0,0232
4 Stator uzunluğu (metre) 0,3667 0,3667 0,4646 0,4646 0,5858 0,5858
5 Oluk genişliği (metre) 0,0080 0,0048 0,0080 0,0048 0,0080 0,0048
6 Diş genişliği (metre) 0,0046 0,0026 0,0122 0,0154 0,0132 0,0164
7 Oluk derinliği (metre) 0,0049 0,0045 0,0094 0,0031 0,0098 0,0033
8 Hesaplanan itme kuvveti (Newton) 702,85 596,89 477,52 423,21 318,13 286,91 N
9 Nüve boyunduruk yüksekliği (metre) 0,0142 0,0047 0,0108 0,0102 0,0107 0,079 m
10 Çıkış gücü (Watt) 4217,1 2457,55 2865,2 2539,3 1908,8 1721,5 W
11 Giriş gücü (Watt) 4723,7 4016,5 3570,3 3195,1 2440,9 2216,1 W
12 Verim % 0,892 0,611 0,802 0,794 0,781 0,776
13 Sargı bakır ağırlığı (kg) 58,11 29,88 48,77 12,92 37,8 22,09 kg
14 Nüve ağırlığı (kg) 156,71 145 55,1 55,1 73,47 61,41 kg
15 Toplam ağırlık (kg) 203,11 186,59 103,87 68,02 111,27 83,50 kg
Tablo 4. Giriş tasarım parametreleri (Input design
parameters)
No
Giriş Tasarım
Parametresi ve
Birimi
Tasarım-
1
Tasarım-
2
Tasarım-
3
1 Alüminyum
Kalınlığı (metre) 0,0035 0,003 0,0025
2 Faz sayısı 3 3 3
3 Hat Gerilimi
(Volt) 380 380 380
4
Oluk
başına/Kutup
başına/Faz sayısı
1 1 1
5 Çalışma frekansı
(Hz) 50 50 50
6 Kutup sayısı 4 6 8
7 Kayma değeri 0.1 0.01 0.01
8 Rotor hızı
(metre/saniye) 6 m/s 6 m/s 6 m/s
9 Stator genişliği
(metre) 0,167 0,167 0,167
10 İtme kuvveti
(Newton) 410 N 410 N 410 N
11 Oluk doluluk
oranı %55 %55 %55
12 Çalışma sıcaklığı
Co 60 Co 60 Co 60 Co
13 Yığın faktörü 0,93 0,93 0,93
14
Stator
Boyunduruk akı
yoğunluğu (Tesla)
1,1 T 1,1 T 1,1 T
15 Stator diş akı
yoğunluğu (Tesla) 1,5 T 1,5 T 1,5 T
İ.Topaloğlu, O. Gürdal Lineer Elektromanyetik Fırlatıcı Sistem Tasarımı ve Eşdeğer Devre Modeli Kullanarak Geliştirilmiş...
112 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 28, No 1, 2013
7. Boldea, I, ve Syed A. N, "The Induction
Machines Design Handbook Second Edition",
Taylor and Francis Group, 2010.
8. Adamiak, K. Ananthasivam, K. Dawson, G.E.
Eastham, A.R, Gieras, J.F, "The causes and
consequences of phase unbalance in single-sided
linear induction motors", IEEE Transactions on
Magnetics , Vol 24 , No 6 , 3223 – 3233, 1988 .
9. Pai, R.M, Boldea, I, Nasar, S.A, "A complete
equivalent circuit of a linear induction motor with
sheet secondary", IEEE Transactions on
Magnetics, Vol 24, No 1, 639 – 654, 1988.
10. Laithwaite, E.R, "Adapting a linear induction
motor for the acceleration of large masses to high
velocities", IEE Proceedings-Electric Power
Applications, Vol 142, No 4, 262 – 268, 1995.
11. Faiz, J, Jafari, H, "Accurate modelling of singlesided
linear induction motor", IEEE
International Magnetics Conference, Vol 18,
No 21, 1999.
12. Topaloğlu, İ, Gürdal, O, “Optimization Of Salient
Pole Synchronous Hydro Generators Using
Sequential Mixed Integer Nonlinear
Programming Method at Transient and Dynamic
Analysis Conditions”, J. Fac. Eng. Archit. Gazi
Univ., Vol 25, No 2, 355-361, 2010.
13. Topaloğlu, İ, Gürdal, O, “A Second Order
Sensitivity Analysis Based Numerical Approach
Developed For Dimension Optimization, In
Electric Machine Design by Electromagnetic
Design Software” J. Fac. Eng. Archit. Gazi
Univ., Vol 25, No 2, 363-369, 2010.
14. Fair, H.D, “Electromagnetic Launch Science and
Technology in the United States Enters a New
Area”, IEEE Transaction on Magnetics, Vol
41, No 1, 158–164, 2005.
15. Bushway, R. R, "Electromagnetic aircraft launch
system development considerations" IEEE
Transactions on Magnetics, Vol 37, No 1, 52-
54, 2001.
16. Fair, H.D, "The science and technology of
electric launch" IEEE Transactions on
Magnetics, Vol 37, No 1, 25-32, 2001.
17. Doyle, M.R, Samuel, D.J., Conway, T. ve
Kilmowski, R.R., "Electromagnetic aircraft
launch system-emals" IEEE Transactions on
Magnetics, Vol 31, No 1, 528-533, 1995.
18. Sung, J. H. ve Nam, K. “A new approach to
vector control for a linear induction motor
considering end effects,” IEEE IAS Annu.
Meeting, 2284–2289, 1999.
19. Duncan, J., “Linear induction motor-Equivalent
circuit model,” Proc. Inst. Elec. Eng., Vol 130,
No 1, Part B, 1983.
20. Bazghaleh, A. Z., Naghashan, M. R., ve
Meshkatoddini, M. R., "Optimum Design of
Single-Sided Linear Induction Motors for
Improved Motor Performance", IEEE
Transactions on Magnetics, Vol. 46, NO 11,
3939-3947, 2010.
21. Kim, D.H, Ship, K. S, ve Sykulski, J. K,
"Applying Continuum Design Sensitivity
Analysis Combined With Standard EM Software
to Shape Optimization in Magnetostatic
Problems” IEEE Transactıons on Magnetics,
Vol 40, No. 2, 1156-1159, 2004.
22. Im, D., Park, S. ve Park, D., “Optimum design of
single-sided linear induction motor using the
neural networks and finite element method,” in
Int. Joint Conf. Neural Networks, Vol 3, 2811–
2814,, 1993.
23. Im, D. Park, S. ve Im, J., “Design of single-sided
linear induction motor sing finite element metod
and SUMT,” IEEE Trans. Magn., Vol 29, No.
2, 1762–1766, 1993.
24. Creppe, R. C., Ulson, J. A. C., ve Rodrigues, J.
F., “Influence of design parameters on linear
induction motor end effect,” IEEE Energy
Convers., Vol 23, no. 2, 3270–3272, 2008.
25. Ryu, J. S, Yao, Y, Koh, C.S, “Optimal Shape
Design of 3-D Nonlinear Electromagnetic
Devices Using Parameterized Design Sensitivity
Analysis”, IEEE Transactıons on Magnetics,
Vol 41, No 5, 1792-1795, 2005.
26. Yokoi, T. ve Ebihara, D. “An optimal design
technique for high speed mathematical
programming method,” IEEE Trans. Magn.,
Vol 25, No 5, 3596–3598, 1989.
27. Isfahani, A. H., Ebrahimi, B. M. ve Lesani, H.,
“Design optimization of low-speed single-sided
linear induction motor for efficiency and power
factor,” IEEE Trans. Magn., Vol 44, No. 2,
266–272, 2008.
28. Jian, W. X., Yongchang, G. Z., Yaohua Z.,
Wang, L. Y., ve Guo, Y., "An Improved
Equivalent Circuit Model of a Single-Sided
Linear Induction Motor". IEEE Transactions
on Mag. Vol 59, No 5, 2277-2282, 2010 .
29. Jian, W. X., Youguang, Z, Wang, G. Y,
Longcheng, Y, Z, "Equivalent circuits for singlesided
linear induction motors" Energy
Conversion Congress and Exposition, 2009,
1288-1293, 2009.
30. Stumberger, G, Aydemir M.T, Zarko, D, Lipo,
T.A, “Design and Comparison of Linear
Synchronous Motor and Linear Induction Motor
for Electromagnetic Aircraft Launch Systems”,
IEEE International Electric Machines and
Drives Conference, Vol 1, 494-500, 2003.
31. Stumberger, G, Zarko, D, Aydemir M.T, Lipo,
T.A, “Sizing Design of a Superconductor Bulk
Permanent Magnet Linear Synchronous Motor
for Electromagnetic Aircraft Launch Systems”,
IEEE Transactions on Applied
Superconductivity, Vol 14, No 1, 54-62, 2004.
32. Gieras, J.F, "Linear Induction Drives", Oxford
University Press, New York, 1994.
33. Plodpradistha, W, "Study of Tubular Linear
Induction Motor for Pneumatic Capsule Pipeline
system", Ph.D. Dissertation, Department of
Lineer Elektromanyetik Fırlatıcı Sistem Tasarımı ve Eşdeğer Devre Modeli Kullanarak Geliştirilmiş... İ.Topaloğlu, O. Gürdal
Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 28, No 1, 2013 113
Electrical Engineering, University of Missouri,
Columbia, 2002.
34. Mirsalim, M, Doroudi, A, Moghani, J.S,
"Obtaining the Operating Characteristics of
Linear Induction Motors: A New Approach",
IEEE Transactions on Magnetic, Vol 38, 1365-
1370, 2002.
35. Isfahani, A.H, Ebrahimi, B.M, Lesani, H,
"Design Optimization of a Low-Speed Single-
Sided Linear Induction Motor for Improved
Efficiency and Power Factor", IEEE
Transactions on Magnetic, Vol 44, 266-272,
2008.
36. Still, A, ve Sisikind, C.S, "Elements of Electrical
Machine Design", McGraw-Hill Book
Company, New York, 1954.
37. Kim, D.H, Ship, K. S, ve Sykulski, J. K,
"Applying Continuum Design Sensitivity
Analysis Combined With Standard EM Software
to Shape Optimization in Magnetostatic
Problems” IEEE Transactıons on Magnetics,
Vol 40, No. 2, 1156—1159, 2004.
38. Ryu, J. S, Yao, Y, Koh, C.S, “Optimal Shape
Design of 3-D Nonlinear Electromagnetic
Devices Using Parameterized Design Sensitivity
Analysis”, IEEE Transactıons on Magnetics,
Vol 41, No 5, 1792-1795, 2005.
39. Fujii, N. “Second Order Sensitivity Analysis for a
Class of Shape Optimization Problems”, IEEE
Transactions on Magnetics, 1176-1178, 1994.
40. Pai, R.M, Boldea, I, Nasar, S.A, "A complete
equivalent circuit of a linear induction motor with
sheet secondary", IEEE Transactions on
Magnetics, Vol 24, No 1, 639 – 654, 1988.
41. Gerçek, A. S, "Analytical design software for
single-sided linear induction motor" PhD Thesis,
Electrical and Electronic Engineering,
University of Gaziantep, 2009.
42. Göynük, Y. “Development of an electrical
machines analysis And optimum design software
package” PhD Thesis, Electrical and Electronic
Engineering, Middle East Technical
University, 2008.

Thank you for copying data from http://www.arastirmax.com