Design and application of an axial flux pm generator with flywheel for linear induction launchers

Abstract

Bu çalışmada üreteç ile sürülen lineer indüksiyon elektromanyetik fırlatıcılar için volanlı bir enerji kaynağı tasarlanması hedeflenmiştir. Bu kapsamda, mevcut bir fırlatıcı için 200 gramlık bir mermiyi 200 m/s hıza ulaştırılması başlangıç koşulu olarak belirlenmiştir. Ayrıca enerji depolamak için bir volan sistemi entegre edilmiştir. Temel prensip olarak şebekedeki enerji bir motor yardımı ile volanda depolanacak, belirli bir zamanda ise volana direk bağlı önerilen üreteç yardımı ile bu enerji fırlatıcıya aktarılacaktır. Belirtilen mermi ağırlığı ve hızı için gerekli enerji ve bu enerji için gerekli volan büyüklüğü hesaplanmıştır. Volan miline direk bağlı olan üretecin tasarımı için elektriksel ve geometrik sınırlar belirlenmiştir. Üreteç tasarımında kutup sayısı, mıknatıs geometrisi, rotor çeliği malzemesi ve kalınlığı, hava aralığı genişliği, tel kesiti, tur sayısı ve sargı türü seçimi detaylıca analiz edilmiştir. Üretecin parametreleri belirlenirken parametrik analizler kullanılmıştır. Ayrıca analizler sonlu elemanlar yöntemi kullanan bir program ile desteklenmiştir. Tasarımı tamamlanan üretecin benzetimleri koşturulmuştur. Bu benzetimler sonucunda hava aralığındaki manyetik akı yoğunluğu, indüklenen gerilim ve yük altındaki performans sonuçları elde edilmiştir. İlave olarak farklı fırlatıcılar için parametrik analizler gerçekleştirilmiştir. Son olarak üretim adımları detaylıca açıklanmış ve yüksüz testleri gerçekleştirilmiştir.

In this study, a flywheel energy source is designed for linear induction electromagnetic launchers driven by the generator. In this context, it is determined as the initial condition for a 200 gr projectile to reach 200 m/s speed for an existing launcher. A flywheel energy storage system is also integrated. In principle, the energy in the mains is transferred to the flywheel with the help of a motor, and at a certain time, it is transferred to the launcher with the help of the proposed generator directly connected to the flywheel. The energy required for the specified projectile weight and speed and the flywheel size required for this energy are calculated. Electrical and geometric limits are determined for the design of the generator directly connected to the flywheel shaft. In the generator design, the number of poles, magnet geometry, material and thickness of rotor steel, air gap width, wire cross-section, number of turns and winding type selection are analyzed in detail. Parametric analyses were used when determining the parameters of the generator. In addition, the analyses were supported by the software using the finite element method. The simulations of the designed generator run. As a result of these simulations, magnetic flux density in the air gap, induced voltage, and performance results under load are obtained. In addition, parametric analyses are carried out for various launchers. Finally, the production steps are explained in detail and no-load tests have been carried out.