I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute r  E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   7 ,   No .   5 ,  Octo b e r   2 0 1 7 ,   p p .   2 3 3 8 ~2 34 8   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 ,  DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v7 i 5 . pp 233 8 - 234 8          2338       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I JE C E   H ig h - P erfor m a nc e G e nera tor  for a   New  G eneratio n  o f  Aircraf ts       I s m a g ilo v   F lur 1 ,  K ha y rullin   I re k 2 ,  Va v ilo v   Vy a chesla v 3 ,    K a ri m o v   Rus la n 4 ,   G o rbu no v   Ant o n 5     De p a rtme n t  o f   El e c tro m e c h a n ics ,   Uf a   S tate   A v iatio n   T e c h n ica l  Un iv e rsit y       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   A p r   2 0 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   Ma y   2 3 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   J u n e   11 ,   2 0 1 7       T h e   a rti c le  d e sc rib e s  m u lt id isc ip li n a ry   d e sig n   p ro c e ss   o f   h ig h - p e rf o r m a n c e   e lec tri c   g e n e ra to r  f o r  a d v a n c e d   a i rc ra f ts  b y   a n a l y ti c a l  m e th o d s  a n d   c o m p u ter   m o d e li n g   tec h n iq u e s  (e lec tro m a g n e ti c ,   th e rm a l  a n d   m e c h a n ica l  c a l c u latio n s) .   Ne w   tec h n ica l  so lu ti o n s  u se d   i n   it s  d e v e lo p m e n t  a re   d e sc rib e d .   T h e   m a in   id e a s  a re   r e v e a led   o f  th e   m e th o d   o f   E G   v o lt a g e   sta b il i z a ti o n   we   u se d .   T o   im p ro v e   th e   h e a t  d issip a ti o n   e f f i c ien c y ,   w e   h a v e   d e v e lo p e d   a   n e w   c o o li n g   s y ste m ,   a n d   p ro v id e   it s stu d y   a n d   d e sc rip ti o n   in   th is  p a p e r.   T h e   a d v a n tag e s o f  th is  c o o l in g   sy ste m   in c lu d e   th e   f a c t  th a t  EG   is  m a d e   w it h   d ry ,   u n c o o led   ro t o r.   T h is  a ll o w e d   e li m in a ti n g   a d d it io n a l  p u m p s,  a n d   sig n if ica n tl y   r e d u c in g   th e   siz e   o f   CS D.  A c c o rd in g   to   t h e   re su lt s  o f   o u r   stu d y ,   w e   c re a ted   a n   e x p e ri m e n tal  f u ll   c a p a c it y   la y o u t,   a n d   it s   stu d ies   a re   a lso   p ro v i d e d   i n   t h is   p a p e r.   K ey w o r d s :   E lectr ic  g en er ato r   E lectr ic   m ac h in e   Mo r e  elec tr ic  air cr af t   P er m a n en t  m a g n e ts     Co p y rig h t  ©   2 0 1 7   In stit u te o f  A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e .    Al l  rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Vav ilo v   V y ac h esla v ,     Dep ar t m en t o f   E lectr o m ec h an ics,   Uf a  State  Av iat io n   T ec h n ical  Un i v er s it y ,   4 5 0 0 0 8 ,   R u s s ia n   Fed er atio n ,   Uf a,   K.   Ma r x   Stre et  1 2 ,   E m ail: s2 _ 8 8 @ m ail. r u         1.   I NT RO D UCT I O N   E lectr ic  g en er ato r s   ( E G)   f o r   ad v an ce d   p o w er   s u p p l y   s y s te m s   o f   au to n o m o u s   o b j ec ts   p la y   a  v er y   i m p o r tan t  r o le  in   to d ay ’ s   ae r o s p ac e  in d u s tr y .   P o w er ,   r eliab il it y   an d   E G  w ei g h t  an d   s ize  ch ar ac ter is tics   lar g el y   d eter m in e  f u n ctio n alit y ,   p er f o r m an ce   an d   f u el  e f f icien c y   o f   civ il  an d   m ili tar y   air cr af t s   ( A / C )   [ 1 ] .   E lectr ical   m ac h in e s ,   w h ich   e li m in a te  p n eu m atic   o r   h y d r a u lic  co n s ta n t  s p ee d   d r iv e  ar e  p r o m is in g   to   i m p r o v e   A / C   ef f icien c y   ( elec tr ic  m ac h i n es  m ad e  to   a  v ar iab le  s p ee d ,   s im ilar   to   B o ein g   7 8 7   s tar ter - g en er ato r s )   o r   elec tr ical  m ac h in e s ,   i n teg r ated   i n   t h e  a ir cr af t  en g i n e  o r   au x iliar y   p o w er   p la n t  w it h o u t  g ea r   [ 2 - 5 ] .   [ 2 ]   p r o v id e  m u lti - cr iter ia  s elec tio n   o f   th e   t y p e  o f   a  h i g h - s p ee d   elec tr ical   m a ch in e s   f o r   t h e  ae r o s p ac e  in d u s tr y .   T h is   an al y s is   s h o w s   th at  t h e  u s e  o f   elec tr ic al  m ac h in e s   w it h   p er m a n e n t  m ag n et s   ( P M)   is   th e  m o s t  e f f ec tiv e.   T h e  s i m ilar   co n clu s io n   w a s   o b tain ed   in   [ 3 ]   –   [ 9 ] .   [ 1 0 ]   also   d escr ib es  a  h ig h   s p ee d   E G  f o r   co m m er cial  A/C .   t h er e  ar e  al m o s t  n o   p ap er s   d ev o ted   to   t h e  d esi g n   an d   d ev e lo p m en t  o f   E G  w it h   P M  in   A/C   s y s te m s   w it h   co n s ta n t  r o to r   s p ee d   o f   n o t  m o r e  t h an   2 4 , 0 0 0   r p m   a n d   an   o u tp u t  v o lta g e  o f   4 0 0   Hz,   ex ce p t  p u b licatio n s   [ 1 1 ] ,   [ 1 2 ]   w h ic h   d o es  n o t  d escr ib e  th e  p r o ce s s   o f   d esig n i n g   a n d   cr ea tin g   s u c h   E G,   an d   d escr ib e  m eth o d s   o f   p r o tectio n   o f   E G  w it h   P M  f r o m   s h o r t c ir cu i t.   Ou tp u t  v o lta g e  w it h   a  f r eq u en c y   o f   4 0 0   Hz  is   p r o v id ed   b y   E G,   w h ic h   ar e  in te g r ated   in to   a  co n s ta n t   s p ee d   d r iv e  ( C SD)   w i th   a  r o to r   s p e ed   o f   n o t  m o r e  t h a n   2 4 , 0 0 0   r p m .   A lt h o u g h ,   as  w as   s h o w n   ab o v e,   t h e   p r o s p ec t is to   g et  r id   o f   C SD,  t h e  u s e  o f   C SD  f o r   s o m e   air cr af ts   ( m il itar y   a n d   tr an s p o r t a v ia tio n )   is   a   tech n ica l   s o lu tio n   t h at  p r o v id es  t h e  r eq u ir ed   r eliab ilit y   o f   A / C ,   an d   eli m in a tin g   t h i s   u n it   is   ec o n o m icall y   a n d   tech n icall y   in e x p ed ien t  at  t h i s   s tag e.   T h er ef o r e,   in   ad d itio n   to   th e  d ev elo p m e n t  o f   p r o m is in g   d ir ec tio n s   f o r   cr ea tin g   i n te g r ated   elec tr ic  m ac h in e s   f o r   air cr af ts ,   it  i s   also   v er y   i m p o r tan t  to   i m p r o v e  p o w er   ch ar ac ter is tic s   o f   E G  in t eg r ated   in   C SD  o f   A/C ,   w h ile  m i n i m izi n g   t h eir   w e ig h t  an d   s ize,   an d   th i s   task   i s   n o t  f u ll y   d is c lo s ed   in   th e  p u b licatio n s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Hig h - P erfo r ma n ce   Gen era to r   fo r   a   N ew Ge n era tio n   o f A ir cr a fts   ( I s ma g ilo v  F lu r )   2339   T o   s o lv e  th is   p r o b le m ,   o u r   r esear ch   tea m   i n   t h e  i n ter est s   o f   o u r   i n d u s tr ial  p ar tn er ,   h as  d esig n ed   a   h ig h - p er f o r m a n ce   E G   w it h   p e r m an e n t  m a g n e ts   ( P M) ,   a  p o w er   o f   1 0 0   k W ,   w it h   a  w ei g h t  o f   2 2   k g .   T o g eth er   w it h   t h i s   E G,   w e  d ev elo p ed   a   v o ltag e  s tab ilizatio n   s y s te m   w ei g h in g   1 0   k g .   E G  i s   co n f i g u r ed   to   2 4 , 0 0 0   r p m ,   w it h   a n   o u tp u t  f r eq u en c y   o f   4 0 0   Hz  ( tw o - p o le  r o to r )   an d   d esig n ed   to   b e  in te g r ated   in   t h e  f ix ed   s p ee d   h y d r au lic  ac t u ato r   o f   A / C .   T h is   p ap er   d escr ib es  m u ltid i s ci p lin ar y   d e s ig n   p r o ce s s   ( elec tr o m a g n etic,   t h er m al   an d   m ec h a n ical  ca lc u latio n s )   o f   th e   d ev elo p ed   E G,   as  w ell   as  n e w   tec h n ical   s o l u tio n s   u s ed   in   i ts   cr ea tio n ,   in cl u d in g   t h e  m ai n   id ea s   o f   E G  v o lta g e  s tab il izatio n   m et h o d   th at  w e  u s ed .   T o   im p r o v e  h ea t  d is s ip atio n   ef f icien c y ,   w e  h av e   d ev elo p e d   a  n e w   co o lin g   s y s te m   al s o   d escr ib ed   in   th is   p ap er .   T h e  ad v an tag e s   o f   t h is   co o lin g   s y s te m   in c lu d e  t h e  f ac t  th at  E G  is   m ad e  w it h   a  d r y ,   u n co o led   r o to r .   T h is   eli m i n ate d   ad d itio n al  p u m p s   an d   s i g n if ica n tl y   r ed u ce d   C SD  s ize.   A cc o r d in g   to   t h e  r esu lt s   o f   o u r   s t u d y ,   w e   m ad e  a  f u ll  ca p ac it y   ex p er i m e n tal  la y o u t a l s o   d escr ib ed   in   th is   p ap er .       2.   RE Q UIR E M E NT S F O R  E G   AND  E G   T O P O L O G Y  S E L E CT I O N   Sp ec if icatio n s   o f   t h e  d ev elo p ed   E G  f o r   a d v an ce d   A / C   w i th   C S D,   w er e  g i v e n   b y   o u r   in d u s tr ial   p ar tn er .   T h e  m ai n   o n es a r e:   1.   R ated   p o w er   o f   E G  –   1 0 0   k VA ;   2.   R ated   v o lta g e  –   1 1 5 /2 0 0   V;   3.   T h e  n u m b er   o f   p h a s es  –   3;   4.   No m i n al  f r eq u e n c y   o f   t h e  alt er n atin g   c u r r en t  –   4 0 0   Hz  at   a  n o m i n al  E G  s h a f t  r o ta tio n al  f r eq u e n c y   o f   2 4 , 0 0 0   r p m ;   5.   E G  o p er atio n al  lo ad : 1 0 0   k VA.   6.   EG ove rl o ad s :   7.   L o n g - ter m   o p er atin g   p o w er   o f   1 5 0   k VA   f o r   n o t  m o r e  t h an   5   m i n u te s ;   8.   Ov er lo ad   ca p ac it y   o f   2 0 0 % o f   th e  g e n er ato r   r ated   p o w er   o f   2 0 0   k VA   f o r   5   s ec o n d s .   T h e  in d u s tr ial  p ar tn er   h as  al s o   e s tab lis h ed   v er y   s tr ict  li m i t s   o n   th e  len g t h :  th e  to tal  le n g th   o f   E G   ( tak in g   in to   ac co u n t  f r o n tal  p ar ts )   w as  n o t  to   b e   g r ea ter   t h a n   1 4 5   m m ,   w e ig h t  a n d   o v er al l   d i m e n s io n s   o f   E G   to g eth er   w it h   t h e  co n tr o l  s y s t e m   –   n o t  m o r e  t h a n   3 5   k g .   W ith   a ll  o f   t h i s ,   E G  a n d   it s   co n t r o l  s y s te m   w er e  to   en s u r e  q u alit y   o f   t h e  o u tp u t p o w er   w it h i n   MI L   ST D  7 0 4 I E .   Fro m   t h e  a n al y s i s   o f   p u b licat io n s ,   a s   w el l  as   f r o m   p r ac tica l  ex p er ien ce   o f   E G  d esi g n i n g ,   w e   h av e   f o u n d   th at  th e  o n l y   E G  t y p e  ab le  to   p r o v id e  th ese  ch ar ac ter is tics   is   E G  w it h   p er m a n e n t  m ag n et s   ( P M) .   A t  th e   s a m e  t i m e  to   r ed u ce   t h e  o v er al l d i m en s io n s   o f   E G  w i th   P M,   i t is ap p r o p r iate  to   u s e  th e  to o th   w i n d in g   [ 1 3 - 1 5 ] .   A t  t h e  s a m e  ti m e  th e  u s e  o f   t o o th   w i n d in g   r es u lts   i n   s i g n i f i ca n t  h ar m o n ic  d is to r tio n   o f   th e  o u tp u t  v o lta g e  o f   E G  d u e  to   s p atial  h ar m o n ics  o f   MM F.  T o   r ed u ce   th ese  d is to r tio n s   a n d   E G  o u tp u t  p o w er   c o m p lia n ce   w i th   th e   r eq u ir e m en ts   o f   MI L   ST D  7 0 4 I E ,   a  f r eq u en c y   co n v er ter   at   f u l l  p o w er   eq u al  to   E G  p o w er   is   u s ed   to g et h er   w it h   E G  w it h   to o th   w in d i n g .   B u t  ev en   t h e  u s e  o f   th e  m o s t  ad v an ce d   ele m e n t  b ase  d o es  n o t  allo w   to   cr ea te  a   r ec tif ier   o r   f r eq u e n c y   co n v er t er   w it h   a   p o w er   o f   1 0 0   k W   an d   a  w ei g h t  o f   les s   t h a n   2 2 - 2 5   k g   [ 1 6 ] .   Giv en   th a t   o u r   in d u s tr ial   p ar tn er   h as   esta b lis h ed   t h e  r eq u ir e m e n ts   to   E G  w ei g h t   w it h   t h e   co n tr o l  s y s te m   w a s   n o t  m o r e  th an   3 5   k g ,   an d   E G  r o to r   s p ee d   –   n o t  m o r e  th an   2 4 , 0 0 0   r p m ,   it  is   ev id en t  t h at  th e  u s e  o f   f r eq u en c y   co n v er ter   an d   E G  w i th   to o th   w i n d i n g   i n   th is   ca s e  is   n o t  p o s s ib le.   A t  a  w ei g h t  o f   f r eq u en c y   in v er ter   o f   2 5   k g ,   E G   h ad   t o   w ei g h   n o t  m o r e  th an   1 0   k g   an d   p r o v id e  p o w er   o f   1 0 0   k W   at  a  s p ee d   o f   2 4 , 0 0 0   r p m ,   an d   o v er lo ad   ca p ac ity   o f   1 5 0   k W   also   at  2 4 , 0 0 0   r p m .   A t th is   s ta g e  o f   d ev elo p m en t,   p r ac tical  i m p le m e n tat io n   o f   t h es e  p ar a m eter s   is   n o t   p o s s ib le.   T h er ef o r e,   w e  h a v e  c h o s e n   to p o lo g y   o f   E G  w i th   P M  w it h   d i s tr ib u ted   w i n d in g   a n d   t w o - p o le  m ag n etic   s y s te m ,   Fig u r e  1 ,   wh ich   m ad e  it  p o s s ib le  to   i m p r o v e  t h e  o u tp u t  v o ltag e   q u alit y .   I n   o r d er   to   s tab ilize   E G  o u tp u t  v o lta g e,   w e  u s ed   n o t  a  s er ial  f r eq u en c y   co n v er te r   at  f u ll  p o w er ,   b u t  p ar allel  o n e  at  p o w er   o f   n o t   m o r e   th a n   4 0 %   o f   t h e   r ated   p o w er ,   Fi g u r e  2 .   T h is   co n v er te r   ( d ig ital  m o d u le   ( DM ) )   is   d e s ig n ed   to   s tab ilize   v o ltag e  w i th   t h e  ch a n g e  in   t h e  lo ad   to   E G  at  a   co n s tan t  r o to r   s p ee d .   P er m an e n t  f r eq u en c y   is   p r o v id ed   b y   C SD.  T h e  ess en ce   o f   th e  co n tr o l  m et h o d   u s ed   an d   E G   o u t p u t  v o lta g e  s tab ilizatio n   is   in   f ac t  th a t  v o lta g e  is   co n tr o lled   b y   t h e  m ag n etic  f ie ld   o f   E G  r esp o n s e  an c h o r s   b y   in d u cti v e  o r   ca p ac itiv e  c u r r en t   g en er ated   b y   DM .   DM   is   co n n ec ted   p ar allel  to   th e  lo ad   u p s tr ea m   E G  f ee d er   an d   co n s u m e s   cu r r en t  s h i f ted   r elati v e  to   v o ltag e  E G   s tr ictl y   to   ± 9 0 °.  T h u s   DM   i n ten s i f ie s   t h e  m a g n et ic  f ield   o f   E G  r e s p o n s e  a n c h o r s   an d   r ed u ce s   it s   v o ltag e   ( in d u cti v e  c u r r en t) ,   o r   lo w er s   th e  m ag n etic  f ield   o f   ar m at u r e  r ea ctio n   an d   in cr ea s es  E G  v o ltag e  ( ca p ac iti v e   cu r r en t) .   I n   th i s   ca s e,   DM   c u r r en t  is   r ea cti v e  f o r   E G  a n d   d o es  n o t  g e n er ate  ad d itio n a l  h ea t  lo s s es  in   E G  w i n d i n g   a n d   m ec h an ica l lo ad   o n   th e  s h a f t.   T o   p r o tect  ag ain s t  s h o r t  cir cu its ,   E G  p h ases   ar e  co n n e cted   to   s tar   co n f i g u r atio n   t h r o u g h   b i - d ir ec tio n al  s e m ico n d u cto r   s w i tch es  th at   o p en   i n   s h o r t - cir c u it   ( SC ) ,   th er eb y   is o lati n g   t h e  p o in t  o f   s h o r t  cir cu i t.   T h e  s o lu tio n   u s ed   is   s i m ilar   t o   th e  s o l u tio n   p r o p o s ed   b y   H o n e y w ell   I n ter n atio n al   [ 1 7 ] ,   b u t  o u r   s o lu t io n   u s e s   n e w   alg o r it h m s   to   i m p r o v e  p e r f o r m an ce   o f   th e  w h o le  p r o tectio n   s y s te m .   I t  w o u l d   b e  m o r e  ef f ic ien t  to   u s e  a  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   5 ,  Octo b er   2 0 1 7   :   2 3 3 8    –   2 3 4 8   2340   h ig h l y   in d u cti v e  E G  ( Hig h - r e ac tan ce   p er m an e n t  m ag n et  m a ch in e) ,   b u t  s in ce   s h o r t - cir c u it  cu r r en t  is   n o t  m u ch   h ig h er   t h a n   th e   r ated   cu r r en t  i n   t h is   t y p e  o f   e lectr ic  m ac h i n e s ,   w e  w o u ld   n o t b e  ab le  to   f u l f ill th e   r eq u ir e m e n t s   f o r   o v er lo ad ,   estab lis h ed   b y   o u r   in d u s tr ial  p ar tn er .   T h er ef o r e,   w e  r ej ec ted   th is   s o l u ti o n   at  th e  s tag e  o f   to p o lo g y   s elec tio n .     T o   m a x i m ize  h ea t  d is s ip atio n ,   w e  u s ed   o u r   d ev elo p ed   an d   p aten ted   E G  co o lin g   s y s te m   [ 1 8 ] .   T h e  u n iq u en e s s   o f   th i s   co o lin g   s y s te m   is   t h at  it  u s e s   t w o   co u n ter   f lo w s   o f   co o led   liq u id ,   Fi g u r e  3 ,   w h i le  p r o v id in g   u n i f o r m   a n d   ef f ec ti v e  h ea t d is s ip atio n .             Fig u r e  1 .   E G  w i n d in g   co n n ec t io n   s ch e m e   Fig u r e  2 .  Sch e m atic  d iag r a m   o f   E G  w ith   DM       T h is   E G  l iq u id - co o li n g   s y s te m   o p er ates  a s   f o llo w s :  t h e   p u m p   i s   p u m p i n g   t h e  co o lan t  t h r o u g h   t h e  in let  f it tin g s ,   w h ic h   i s   s i m u lta n eo u s l y   s u p p lied   to   th e  f ir s t  m an if o ld   a n d   th e   s ec o n d   m a n i f o ld   w h er e  t h e  f r o n t   p ar ts   ar e  in s talled .   B y   w a s h in g   t h e  f r o n t   p ar ts ,   t h e  co o la n t  f r o m   t h e  f ir s t   an d   th e   s ec o n d   m an if o ld s   en t er s   t h e   co o ler s ,   m ad e  in   th e   f o r m   o f   a  c y li n d er   w it h   h elica l  c h a n n els,  an d   t h e  co o la n t  f lo w s   f r o m   t h e  f ir s t   an d   t h e   s ec o n d   m a n i f o ld s   o p p o s itel y   a n d   th e n   f lo w s   o u t  th r o u g h   t h e  o u tlet  f itti n g .   T o   p r o v e  ef f ec ti v en e s s   o f   all   o f   t h e   tech n ical  s o lu tio n s ,   i t  i s   n ec es s ar y   to   m a k e  m u ltid is c ip lin ar y   E G  ca lc u latio n s .   T h e  al g o r ith m   p r o p o s ed   in   [ 1 9 ,   2 0 ]   w a s   ad o p ted   as a   b asis   in   m u ltid is cip li n ar y   ca lc u lat io n s .         Fig u r e  3 .   Stru ct u r al  d iag r a m   o f   E G  co o lin g   s y s te m       3.   E L E C T RO M AG NE T I C  CA L CU L AT I O NS O F   E G   I n   elec tr o m a g n e tic  c alc u latio n s ,   w e  h a v e  i n itiall y   u s ed   t h e  an al y tical  e x p r ess io n s   to   ca lcu late  t h e   p r eli m in ar y   g eo m etr ical  d i m e n s io n s   o f   E G.   A f ter   th at,   b ase d   o n   th ese  g eo m e tr ic  d i m e n s i o n s ,   a  f in i te  ele m en t   m o d el  w as  d ev e lo p ed .   S m 2 C o 1 7   w i th   r e s id u al  in d u ctio n   r B   n o t  les s   t h an   1 . 1   T   an d   p er m an e n t  m a g n et   co er civ e  f o r ce   i n   ter m s   o f   m a g n et izatio n   o f   812 c H   k A / m   ar e  u s e d   as  a  m a ter ial  o f   p er m an e n t  m ag n et s .   T h e  m a x i m u m   p r eli m i n ar y   te m p er at u r e  o f   P M  ( С 175 pm )   is   d ef in ed   o n   th e  b asi s   o f   e m p ir ical  d ata.   B ased   o n   th is ,   ch ar ac ter is tic s   o f   a  p er m an e n t  m a g n et  ar e  d eter m in ed   at  th e  m a x i m u m   o p er atin g   te m p er atu r e:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Hig h - P erfo r ma n ce   Gen era to r   fo r   a   N ew Ge n era tio n   o f A ir cr a fts   ( I s ma g ilo v  F lu r )   2341   T k B B pm Br r r 05 , 1 100 ) 23 ( 1 ) (             ( 1 )     k A / m 6 0 0 1 0 0 ) 23 ( 1 ) ( pm Hc k b H b H             ( 2 )     B ased   o n   em p ir ical  d ata,   p r elim i n ar y   r o to r   d ia m e ter   an d   P M  th ick n e s s   i s   g i v en : mm 11 m m , 1 0 0 m h p D .     B ased   o n   th e  th ick n es s   o f   p er m an e n t  m a g n e ts ,   r o to r   b an d ag e  s h ea t h   is   d eter m i n ed   ac co r d i n g   to   [ 2 0 ] .   T h e  to tal  th ick n es s   o f   b an d ag e  s h ea th   w a s   2 . 2   m m   m ad e  o f   ca r b o n   f ib er ,   w h ile  t h e  r elativ e  air   g ap   o f   th e  g en er ato r   is   eq u al  to :     mm 06 , 0 1 . 0 0 0 3 . 0 * 2 δ 2 * δ p D               ( 3 )     T h e  co ef f icie n ts   ta k i n g   i n to   a cc o u n t  t h e  ch a n g e  in   th e  m a g n etic  i n d u ctio n   v ec to r   alo n g   t h e  air   g ap   len g th   ar e  d eter m i n ed :       97 , 0 1 2 * δ 1 1 2 * δ 1 * δ 1 p p p z k               ( 4 )     A   co ef f icie n t ta k i n g   i n to   ac co u n t t h e  f all  i n   MM F i n   s teel  s e ctio n s       15 , 1 F k                   ( 5 )     Dis s ip atio n   co ef f icie n t:       15 , 1 p k                   ( 6 )     I n d u ctio n   i n   t h e  air   g ap   at  id le  ca n   b e  d eter m i n ed   b y   ex p r es s io n   [ 2 1 ] :     T 6 9 4 . 0 0 μ 1 2 δ 2 1 1 0 р k r B c H р k r B z k m h B             ( 7 )     Fu r t h er ,   ac co r d in g   to   A r n o ld   eq u atio n ,   a  lin ea r   c u r r en t  g en er ato r   lo ad   is   d eter m in ed :     m А 3 3 1 0 0 97 , 0 * 66 , 0 * 2 4 0 0 0 * 27 , 1 * 92 , 0 * 85 , 0 * 115 , 0 2 ) 1 , 0 ( 1 0 0 0 0 0 * 03 , 6 δ α 2 03 , 6 n B z k w k f k l p D P A           ( 8 )     T h e  n u m b er   o f   s lo ts   p er   p o le  a n d   p h ase     3 q                     ( 9 )     T h e  n u m b er   o f   teet h       18 3 1 3 2 2 q p m z               ( 1 0 )     T h en ,   th e  n u m b er   o f   e f f ec ti v e  co n d u cto r s   in   t h e  s lo t:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   5 ,  Octo b er   2 0 1 7   :   2 3 3 8    –   2 3 4 8   2342   99 , 1 22 , 306 * 18 33100 * 106 , 0 * 1 * 14 , 3 n 1 I Z A s aD N             ( 1 1 )     2 N                     ( 1 2 )   A d j u s ted   v a lu e  o f   t h e  li n ea r   c u r r en t lo ad :     m А 3 3 1 2 0 1 0 6 , 0 * 1 * 14 , 3 2 * 22 , 3 0 6 * 18 n 1 s aD N I Z A             ( 1 3 )     T h en   th e  ef f ec t iv e  w i n d i n g s   in   th e  s tato r   w in d i n g   p h ase:     6 1 2 2 a N pq w                 ( 1 4 )     I d lin g   E MF  [ 2 4 ,   2 5 ] :     V 83 , 1 22 6 * 1 15 . 0 * 1 . 0 * 6 94 . 0 * 4 00 * 11 . 1 * 92 . 0 * 4 π 0 δ 4 p f lw p D fB f k w k E         ( 1 5 )     A cc o r d in g   to   th e  o b tain ed   g eo m e tr ic  d i m en s io n s ,   a  co m p u ter   m o d el  w as  d ev elo p ed   in   A n s o f t   Ma x w ell  s o f t w ar e  p ac k a g e.   T h e  s i m u la tio n   r es u lts   ar e  g i v en   i n   Fi g u r e  4 .   Up o n   th e  r esu lt s   o f   co m p u ter   s i m u lat io n   ( Fi g u r e  4 ) ,   th e  r esu lts   o f   p r eli m i n ar y   s et tle m en t   ca lcu latio n s   w er e  co n f ir m ed ,   an d   ce r tain   b asic   p ar am eter s   o f   E G  w er e  d ete r m in ed ,   T ab le  1 .   E G  ca lcu la tio n s   w er e  p er f o r m ed   u n d er   lo ad   an d   o v er lo ad .   Fu r t h er m o r e,   t h e  r es u lt s   o f   co m p u ter   s i m u latio n   s h o w   t h at  t h e  m a x i m u m   i n d u c tio n   in   t h e  s tato r   y o k e  i s   n o t   m o r e  t h an   2   T ,   w h ich   i s   p er m is s ib le  f o r   C o Fe  allo y .   I n   b u i l d in g   t h e  ex ter n al  ch ar ac ter is ti cs  o f   E G,   w e  u s ed   th e  k n o w n   tech n iq u e  to   d escr i b e  th e  ex ter n a l c h ar ac ter is t ics  w it h   t h e  ellip s e  eq u a tio n .           Fig u r e  4 .  T h e  r esu lts   o f   E G  co m p u ter   s i m u latio n       I n   t h is   ca s e,   i n ter   alia,   in   b u ild in g   t h e  e x ter n al   ch ar ac ter is tic,   w e   to o k   i n to   ac co u n t   th e   ch a n g e   in   P M  ch ar ac ter is tic s   d u e  to   te m p er at u r e.     1 a r c t g φ c o s 0 2 2 2 0 a r d x k I I E U k I I E U           ( 1 6 )     P M  f lo w c h ar t  w a s   b u ilt  to   d e ter m i n e  cu r r e n t  I k ,   an d   it   w as   f o u n d   f r o m   it   t h at  I k   f o r   t h e  o p er atin g   te m p er atu r e  o f   1 7 5 °C   is   1 4 1 7 3   k A .   Gi v en   th e s e  v a lu e s ,   an d   also   b ased   o n   ca lcu la tio n s   i n   T ab le  1 ,   w e   h a v e   b u ilt th e  e x ter n al  E G  ch ar ac ter is tic,   Fi g u r e  5 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Hig h - P erfo r ma n ce   Gen era to r   fo r   a   N ew Ge n era tio n   o f A ir cr a fts   ( I s ma g ilo v  F lu r )   2343       Fig u r e  5 .   T h e  ex ter n al  E G  ch a r ac ter is tic       T ab le  1   s h o w s   th a t th e  d e v elo p ed   g en er ato r   h as a   c u r r en t d en s it y   i n   t h e  w i n d in g   o f   1 2   A / m m 2 ,   w h ic h   co r r esp o n d s   to   th e  s elec ted   co o lin g   s y s te m .   At  t h e  s a m e   ti m e,   it  is   ab le  to   w i th s ta n d   th r ee   ti m e s   m u ltip licit y   o f   d e m ag n eti za tio n   c u r r en t,  w h ic h   also   co r r esp o n d s   to   th e   r eq u ir e m en t s   f o r   air cr af t  g en er ato r s   o f   th is   t y p e.   Sp ec if ic  elec tr ic  lo ad in g   o f   t h e  d esig n ed   g en er ato r   also   d o es  n o t  ex ce ed   t h e  li m its   f o r   th e  s elec ted   co o lin g   s y s te m .   T h er ef o r e,   it c an   b e  co n clu d ed   th at  t h e  ca lc u lated   d ata  o b tain ed   in   T ab le  1   f u ll y   s atis f y   t h e  tas k .   As  a  r esu l t  o f   elec tr o m a g n e tic  ca lcu latio n s ,   a  ce r tai n   m ain   s tr u ct u r al  d iag r a m   o f   E G  an d   its   p ar am eter s   w er e  d eter m in ed ,   w h ic h   f u ll y   m ee t th e  co n d itio n s   s et  b y   o u r   i n d u s tr ial  p ar tn er s .   Fig u r e  5   s h o w s   t h at  th e  e x ter n al  ch ar ac ter is tic  o f   th e  g e n er ato r   b ein g   d ev elo p ed   is   af f ec t ed   b o th   b y   elec tr ic  p ar a m eter s ,   a n d   also   to   a  g r ea t  e x ten t  b y   t h er m al   p r o ce s s es.  T h e  ex ter n a l  ch ar ac ter is tic  b ec o m es   n o n li n ea r   w h e n   t h e y   ar e  ta k en   in to   ac co u n t.       T ab le  1 .   R esu lts   o f   E G  p ar a m eter s   ca lcu latio n s   d eter m in ed   as a   r esu lt o f   co m p u ter   s i m u la tio n   A c t i v e   a r e a   st e e l   g r a d e     -   C o F e   T h i c k n e ss o f   s h e e t s   mm   0 . 0 7   P h a se   c u r r e n t   f r e q u e n c y     Hz   4 0 0   P h a se   v o l t a g e   V   1 2 4   P h a se   c u r r e n t   ( r ms)   А   3 0 6 , 2 2   C u r r e n t   d e n s i t y   i n   t h e   w i n d i n g   А / mm 2   1 2 , 2   S p e c i f i c   El e c t r i c   L o a d i n g   А / m   3 3 1 0 4   H e a t   f a c t o r   А / mm 2 *   * А / sm   3 9 7 2   G e n e r a t o r   p o w e r   k V A   1 0 8   S h o r t e n i n g   c o e f f i c i e n t   -   0 , 9 6 5   D i st r i b u t i o n   c o e f f i c i e n t   -   0 , 9 5 7   A c t i v e   r e si st a n c e   a n d   d i ss i p a t i o n   r e si st a n c e   О h m   0 , 0 0 2 6 8 / 0 , 0 2 5 5   M u l t i p l i c i t y   o f   d e mag n e t i z a t i o n   c u r r e n t   -   3 , 3   I n d u c t i v e   p h a se   r e si st a n c e   a l o n g   a x e s  d - q   О h m   0 , 0 9 9 / 0 , 0 9 9       3 . 1 .     Ca lcula t i o ns   o f   E G   ro t o r  m ec ha nica l st re ng t h   T h e  d ev elo p ed   E G  h as  a  s u f f i cien tl y   lar g er   r o to r   d ia m eter   a t  r elativ el y   h i g h   s p ee d ,   s o   it  is   n ec es s ar y   to   m a k e  m o r e  ac c u r ate  ca lcu la tio n s   o f   m ec h an ica l stre n g t h   o f   r o to r   b an d ag e  s h ea t h .   A t  a  t h ic k n e s s   o f   t h e  s h ea t h   o f   2 . 2   m m ,   an d   tak in g   i n to   ac co u n t  t h e  m a s s   o f   m a g n e ts   ( 2 . 6   k g ) ,   ce n tr if u g al  f o r ce s   w er e   ca lcu l ated   ac tin g   o n   t h e  r o to r   b an d ag e  ta k i n g   in to   ac co u n t  i n cr e ased   s p ee d   ( 2 8 , 8 0 0   r p m ) :   Н Rm F 1 1 8 1 7 2 9 6 , 2 05 . 0 2 3 0 1 5 m a g 2 ω           ( 1 7 )   w h er e  ω   is   th e  r o to r   s p ee d   ( 2 4 , 0 0 0   r p m   o r   2 , 5 1 4   r a d / s ec ) ,   R   is   th e   r o to r   r ad iu s   ( d eter m i n ed   f r o m   elec tr o m ag n etic  ca lc u latio n s   a n d   is   5 0   m m ) ,   m ag m is   th e  m as s   o f   t h e  m a g n ets i s   2 . 6   kg.     T ak in g   i n to   ac co u n t  th e  g eo m etr ic  p ar a m eter s   an d   t h e  r es u lti n g   m a g n it u d e  o f   ce n tr i f u g al  f o r ce s ,   a   f i n ite  ele m e n t  m o d el  w as  d e v elo p ed   in   So lid   W o r k s   s o f tw ar e  p ac k ag e,   a n d   s tr ess   in   t h e  r o to r   s h ea th   w as   ca lcu lated   as,  Fi g u r e  6 .   Fig u r e  6   s h o w s   t h at  th e  s tr es s es  i n   th e  r o to r   s h ea t h   d o   n o t  ex ce ed   6 0 9   M P a,   an d   th is   p r o v id es  a  s af et y   f ac to r   f o r   th e  p r o j ec ted   g en er ato r   o f   1 . 7 6 .   T h e  ab o v e  ca lcu latio n s   co n f i r m   p er f o r m a n ce   o f   th e  p r o p o s ed   d esig n .           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   5 ,  Octo b er   2 0 1 7   :   2 3 3 8    –   2 3 4 8   2344   4.   E G   RO T O R  DYNA M I CS A NALYS I S   A   r o to r   d ev elo p ed   at  t h e  s ta g e  o f   elec tr o m a g n e tic  ca lc u la tio n   is   co n s id er ed   w h e n   ca lc u lati n g   t h e  cr itical  r o to r   s p ee d .   T h e  p r o b l e m   o f   d y n a m ics a n al y s i s   w as  s o lv ed   u s in g   An s y s   s o f t w ar e  p ac k ag e,   Fi g u r e  7 .   As  a  r es u lt  o f   t h e  ca lc u latio n   ( Fig u r e  7 ) ,   it  w as  f o u n d   t h at  t h e  m ax i m u m   later al  f o r ce   ac ti n g   o n   t h e   r o to r   is   2 , 6 5 2   N,   th e  f ir s t   cr iti ca l  s p ee d   is   at  9 8 , 0 0 0   r p m ,   i.e .   is   m u c h   h ig h er   t h a n   t h e  r ated   s p ee d .   T h is   p r o v es   p er f o r m a n ce   o f   t h e  s elec ted   co n s tr u cti v e  s c h e m e  o f   th e  r o to r .           Fig u r e  6 .   C alcu lat io n s   m ad e  i n   So lid   W o r k s   s o f t w ar e  p ac k ag e   Fig u r e  7 .   Def lectio n   o f   th e  m a g n eto elec tr ic  g en er ato r   r o to r   at  th e  f ir s t c r itical  r o tatio n   s p ee d       5.   CALCU L A T I O N  O F   L O S S E S AN D  E VA L UA T I O N  O F   E G   E F F I CI E NC Y,   AND  CO O L I N G   SYST E M   CALCUL AT I O N     E G  lo s s   ca lc u latio n   is   an   i m p o r tan t  s tep   in   t h e  d esi g n .   D u e  to   th e   li m ited   E G   v o l u m e,   to t al  lo s s e s   i n   th e  ac ti v e   ele m e n t s   s h o u ld   b e  ca lcu lated   a s   ac c u r atel y   as   p o s s ib le,   to   e n s u r e  m ax i m u m   h ea t  d is s ip atio n   an d   r eliab ilit y   o f   E G.   Me ch a n ical   lo s s es   i n   E G  ca n   b e  d eter m in ed   ac co r d in g   to   t h e  p r o ce d u r e  g iv e n   i n   [ 2 2 ] .   L o s s e s   in   C o - Fe  allo y s   f o r   4 0 0   Hz  ar e   u s u all y   s p ec if ied   b y   t h e  m a n u f ac t u r er   [ 2 3 ] ,   an d   ca n   b e  esti m ated   b ased   o n   t h e  w ei g h t  o f   t h e  m a g n e t ic  cir cu it   an d   th e   m ag n etic   f lu x   d en s it y   v al u es  o b tai n ed   i n   elec tr o m ag n etic   ca lcu latio n s ,   Fi g u r e  5 .   P ar ticu lar   atten tio n   s h o u ld   b e  p aid   t o   lo s s es  f o r   ed d y   cu r r en t  i n   p er m an e n t  m a g n ets,   s in ce   th e   r o to r   in   t h e  d ev e lo p ed   E G  is   n o t  co o led ,   an d   t h er e  w ill  b e  v ir t u all y   n o   h ea t   d is s ip atio n   f r o m   P M.   L o s s e s   i n   P M  w er e  ca lcu lated   b y   f i n ite  ele m e n t  m et h o d ,   Fig u r e  8 .           Fig u r e  8 .   Dis tr ib u tio n   o f   lo s s e s   f o r   ed d y   c u r r en t s   in   P M       R es u lts   E G  lo s s   ca lc u latio n s   a r e  s h o w n   i n   T ab le  2 .   B ased   o n   th is   ca lc u latio n ,   th e  co o li n g   s y s te m   w a s   d esig n ed   d escr ib ed   ab o v e.   T h e  esti m ate  o f   te m p er atu r e s   b y   f i n ite  ele m e n t  m et h o d   s h o w ed   th at   t h e  m ax i m u m   P M  tem p er atu r e  is   n o t  m o r e  th an   1 8 0   °C ,   an d   w i n d in g   te m p er at u r e  is   n o t  m o r e  th a n   2 0 5   °C ,   w h ic h   f u ll y   p r o v id es E G  p er f o r m a n ce .       T ab le  2 .  L o s s es in   ac t iv e  E G  e le m e n ts   O h mi c   l o sse s i n   t h e   st a t o r   c o p p e r   W   1 , 1 5 4   L o ss e s i n   s t e e l     W   6 9 3   S u r f a c e   l o sse s i n   t h e   r o t o r   d u e   t o   t o o t h   h a r mo n i c s   o f   t h e   st a t o r   W   1 9 3   L o ss e s i n   t h e   w i n d i n g   d u e   t o   p r o x i mi t y   e f f e c t   a n d   e d d y   c u r r e n t s   W   5 2 8   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Hig h - P erfo r ma n ce   Gen era to r   fo r   a   N ew Ge n era tio n   o f A ir cr a fts   ( I s ma g ilo v  F lu r )   2345   An al y s i s   o f   T ab le  2   s h o w s   t h at  th e  d e v elo p ed   air cr af t  elec tr ic  g en er ato r   h as  a  s u f f ici en tl y   h i g h   ef f icien c y .   T o tal  lo s s es i n   t h e  d esig n ed   s tr u c tu r e  d o   n o t e x ce ed   2 . 6   k W ,   w h ic h   at  a n   elec tr ic  p o w er   o f   1 0 0   k W   p r o v id es  ef f ic ien c y   o f   9 7 %.  Ma x i m u m   lo s s es  ta k e  p lace   in   th e  s tato r   w in d i n g ,   w h ile  lo s s es  ar e  n o t  s ig n i f ican t   in   t h e  s tato r   ir o n .   Mi n i m u m   l o s s es  i n   t h e  s tato r   ir o n   w er e  a ch iev ed   d u e  to   th e  u s e  o f   th e  s iliceo u s   elec tr ical   s teel  w it h   a  s h ee t t h ic k n e s s   o f   0 . 1 8   m m .   I n   g e n er al,   as  s h o wn   b y   t h er m a l a n al y s is ,   all  t h es e  lo s s es a r e  d iv er ted   b y   t h e  s elec ted   co o lin g   s y s te m ,   w h ic h   co n f ir m s   w o r k ab ilit y   o f   th e  d ev elo p ed   elec tr ic  g en er ato r   in   ter m s   o f   th er m a l lo ad s .       6.   E G   VO L T AG E   CO N T RO L   AND  ST AB I L I Z A T I O N  SY ST E M   An   i m p o r tan t   tas k   in   cr ea tin g   E G   is   th e   d esi g n   o f   its   co n tr o l  s y s te m ,   i m p le m e n ti n g   t h e  m et h o d   d escr ib ed   ab o v e.   A   b lo ck   d iag r a m   o f   t h e  co n tr o l  m et h o d   an d   v o ltag e  s tab ilizatio n   i m p le m en ted   b y   DM ,   is   s h o w n   in   F ig u r e  9 .   T o   c o n f ir m   ef f icie n c y   o f   t h e  p r o p o s ed   co n tr o l a n d   s tab ilizati o n   m et h o d   f o r   t h e  o u tp u t v o lta g e  o f   A/C   E G  an d   p r o v e  it s   p r ac tical  i m p le m e n tat io n ,   t h e  a u t h o r s   h av e  d ev elo p ed   a  s i m u lat io n   m o d el   o f   g e n er atio n   ch an n el  i n   Ma t lab   s o f t w ar e  p ac k ag e,   w h ic h   allo w s   ev a lu ati n g   ef f icie n c y   o f   th e  p r o p o s ed   co n tr o l  an d   s tab ilizatio n   m eth o d   f o r   E G   o u tp u t   v o lta g e,   a s   w ell  a s   d u r atio n   o f   tr a n s ie n ts ,   v o lta g e   s ta b ilizatio n   ac c u r ac y   an d   to   o b tain   DM   ad j u s t m e n t  ch ar ac ter is tic s .           Fig u r e  9 .   B lo ck   d iag r a m   o f   E G  co n tr o l  m et h o d   Fig u r e  1 0 .   Si m u latio n   r es u lts   o f   E G  co n tr o l  p r o ce s s es  ( C M  c u r r en t,   A   V S  t,  m s ;  ME G  v o lta g e,   A  VS t,   m s ; CM  c u r r en t,  A   VS t,   m s )       T h e  d ev elo p ed   s i m u latio n   m o d el  co n s is t s   o f   s e v er al  u n its :   a  lo ad   u n it  ( L o ad ) ,   DM   u n i t   in cl u d in g   C u r r en t  R eg u lato r   a n d   So l v er ,   as  w el l  as   d r iv e - g en er ato r   u n it  ( Ge n er ato r ) .   E G  m o d el   is   i m p le m en ted   in   d q   co o r d in ates,  an d   allo w s   s i m u l atin g   o p er atio n   o f   E G  i n   g en er ato r   m o d e  as  p ar t  o f   a  co n s ta n t  s p ee d   d r iv e  in   t h e   r an g e  o f   lo ad s   f r o m   id li n g   to   th r ee - f o ld   o v er lo ad .   T h e  s i m u latio n   tak e s   in to   ac co u n t  E G  w it h   t h e  f o llo w i n g   n u m er ical  p ar a m eter s :  s p ee d   –   2 4 , 0 0 0   r p m ,   r ated   p o w er   –   1 0 0   k V A ,   f r eq u en c y   o f   t h e  g e n er ated   v o ltag e  –   400  Hz,   m a g n e tic  i n d u ct io n   i n   t h e   air   g ap   –   0 . 6 6   T .   A s   a  r e s u l t  o f   t h e  s i m u latio n ,   Fi g u r e  1 0 ,   DM   cu r r en t  v alu e s   w er e  o b tain ed ,   as  w ell  as  v o lt ag e  an d   cu r r en t  o f   th e  g en er at o r   at  a  s h ar p   ch an g e  o f   t h e  lo ad   an d   ad j u s t m e n t   ch ar ac ter is tic  o f   DM ,   F ig u r e  1 1 .   T h e  an al y s is   o f   s i m u lat io n   r es u lts   Fi g u r e  1 0   s h o w s   t h a t  th e  p r o p o s ed   E G  v o ltag e  co n tr o l  an d   s tab ilizati o n   m eth o d   is   ef f i cie n t  an d   all o w s   co n tr o lli n g   E G  v o ltag e  o v er   a  w id e  r an g e  o f   lo ad   ch an g es.  Als o   t h e  s i m u latio n   r es u lt s   s h o w   t h at  t h e  m ax i m u m   d u r atio n   o f   t h e  tr an s ie n t  p r o ce s s   is   o b s er v ed   w h en   th e  lo ad   ch a n g es  f r o m   t w o - f o ld   o v er lo ad   u p   to   id lin g   a n d   is   7 0   m s .   I n   t h i s   ca s e  th e  g e n er ato r   v o ltag e  r ea c h es 1 4 0   V,   th at  is ,   in cr ea s ed   b y   2 1 . 7 %,  an d   th en   r esto r ed   to   th e  n o m i n al  v al u e.         Fig u r e  1 1 .   E G  ad j u s t m e n t c h a r ac ter is tics   ( C M  c u r r en t,  A   V S M E G  cu r r en t,  r el.   u n it s )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I J E C E     Vo l.  7 ,   No .   5 ,  Octo b er   2 0 1 7   :   2 3 3 8    –   2 3 4 8   2346   As  s ee n   i n   Fig u r e  1 1 ,   DM   cu r r en t  v ar ies  in   t h e  r an g e  o f   0   A  at  8 0 %  lo ad   to   2 0 0   A  at   id lin g   o r   1 6 0 %   lo ad .   I n   th i s   ca s e,   in   g e n er ato r   id lin g   m o d e,   D M  cu r r e n t  i s   b eh in d   v o lta g e,   an d   in   o v er lo ad   m o d e  –   it  i s   a h ea d   b y   9 0 °,  w h ich   al s o   co n f ir m s   v alid it y   o f   t h e  p r o p o s ed   v o ltag e  co n tr o l  m eth o d .       7.   E XP E R I M E NT A L   E G   L AY O UT   B ased   o n   th e  r esu lts ,   b y   t h e  g e o m e tr ic  d i m e n s io n s ,   T ab le  1 ,   f u ll p o w er   E G  d e m o n s tr atio n   l a y o u t  w a s   d ev elo p ed ,   as  w ell  as t h e  la y o u t o f   it s   co n tr o l s y s te m   w as d e s ig n ed ,   Fig u r e  1 2 ,   1 3 .           Fig u r e  1 2 .   E G  co o lin g   j ac k et  ( lef t)   an d   E G  r o to r   ( r ig h t)   Fig u r e  1 3 .   Fu ll - s ize  E G  la y o u t   ( lef t)       As  a  r esu l t  o f   r esear c h ,   th e  e f f ec tiv e n e s s   o f   o u r   s o lu t io n   h as  b ee n   f u ll y   p r o v ed ,   an d   all   tech n ical   r eq u ir e m en ts   s p ec i f ied   b y   o u r   in d u s tr ial  p ar t n er   w er e  co m p l i ed   w i th .   A   f u r th er   s tep   i n   o u r   r esear ch   w a s   s tan d   test s   s i m u lat in g   A / C   s y s te m s .       8.   RE SU L T S AN D  CO NC L U S I O NS   T h u s ,   t h e  p ap er   d escr ib es  a  p r o ce s s   o f   m u ltid is cip li n ar y   d esig n   o f   a  h ig h - p er f o r m a n c e  E G  w it h   p er m a n e n t  m ag n et s   ( P M) ,   p o w er   o f   1 0 0   k W ,   w ei g h t   o f   2 2   k g .   T o g eth er   w it h   t h i s   E G,   we  h a v e  d ev elo p ed   a   s y s te m   o f   v o ltag e  s tab ilizatio n   w ei g h in g   1 0 – 1 2   k g .   E G  is   co n f ig u r ed   to   2 4 , 0 0 0   r p m ,   w it h   a n   o u tp u t f r eq u e n c y   o f   4 0 0   Hz  ( tw o - p o le  r o to r )   an d   is   d esig n ed   f o r   in te g r atio n   i n to   C SD o f   A / C .   C o m p ar in g   o u r   r es u lts   w it h   wo r k s   o f   o th er   a u t h o r s ,   w e  ca n   co n clu d e  t h at  th e   n e w   air cr af t   g e n er ato r   th at  w e  h av e   cr ea ted   h a s   m i n i m ized   m as s   p ar a m e ter s   at   s u f f icie n tl y   h i g h   en er g y   v alu e s .   T h e  co n tr o l  s y s te m   p r o p o s ed   b y   u s   is   o f   p ar tic u lar   v al u e  i n   t h i s   ca s e,   w h i ch   al s o   o u tp er f o r m s   an alo g s   in   ter m s   o f   m as s   p ar am eter s .   A t t h e  s a m e  ti m e,   th e  m as s   i n   ae r o s p ac e  in d u s tr y   is   t h e  m ain   cr iter io n   f o r   m a k i n g   d ec i s io n s ,   s i n ce   it  allo w s   to   s ig n i f ica n tl y   m i n i m ize  t h e  ec o n o m ic  co s t s   as s o ciate d   w it h   th e  f u el  e f f icie n c y   o f   th e  air cr a f t.  T ab le  3   p r o v id es  co m p ar is o n s   o f   o u r   g e n er ato r   an d   k n o w n   ai r cr af t e lectr ic  g e n er ato r s   d escr ib ed   in   [ 1 ]   –   [ 1 8 ] .       T ab le  3 .   C o m p ar is o n   o f   th e  d e v elo p ed   g en er ato r   an d   o th er   t y p es o f   g e n er ato r s   w i th   p er m a n en t  m ag n et s ,   u s ed   o n   v ar io u s   air cr af ts     D e v e l o p e d   p o w e r   g e n e r a t o r   El e c t r i c   g e n e r a t o r   w i t h   p e r ma n e n t   mag n e t s  a n d   b i a s  w i n d i n g s   El e c t r i c   g e n e r a t o r   w i t h   p e r man e n t   m a g n e t s  a n d   f u l l   p o w e r   i n v e r t e r   C o mb i n e d   e x c i t a t i o n   g e n e r a t o r   R a t e d / o v e r l o a d   p o w e r ,   k W   1 0 0   /   1 5 0   1 0 0   /   1 5 0   1 0 0 / 1 5 0   1 0 0   /   1 5 0   G e n e r a t o r   w e i g h t ,   kg   2 4 , 2   2 7 , 2   2 0 , 2   34   C o n t r o l   sy st e m  w e i g h t ,   k g   12   11   25   5   T o t a l   s y st e m w e i g h t ,   kg   3 6 , 2   3 8 , 2   4 5 , 2   3 9   L o ss e s i n   t h e   s t a t o r   mag n e t i c   c i r c u i t ,   W   6 9 3   6 9 3   7 0 0   1 0 5 0   L o ss e s i n   r o t o r ,   W   1 9 3   2 1 0   3 0 0 – 350   7 0 0     A e r o d y n a mi c   l o sse s,  W   26   26   26   1 2 0     O h mi c   l o sse s i n   t h e   1 1 5 4   1 1 5 4   1 2 0 0   1 1 5 4   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J E C E     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       Hig h - P erfo r ma n ce   Gen era to r   fo r   a   N ew Ge n era tio n   o f A ir cr a fts   ( I s ma g ilo v  F lu r )   2347   mai n   w i n d i n g ,   W   A d d i t i o n a l   l o sse s,  W   5 2 8   5 2 8   5 5 0   7 0 0   T o t a l   l o ss e s,  W   2 5 9 4   2 6 1 1   2 8 2 6   3 7 2 4       T h e  an al y s i s   o f   T ab le  3   s h o w s   th at  s i n ce   th e  r ec ti f ier   an d   th e  f u ll  p o w er   i n v er ter   ar e   n o t  u s ed   to g eth er   w i th   o u r   g e n er ato r ,   th e  ed d y   c u r r en t lo s s es i n   it  cr ea ted   in   p er m a n en t  m a g n ets ar e  lo w er   t h an   i n   o t h er   o p tio n s .   T h is   is   d u e  to   th e  f ac t  th at  i n   o u r   g e n er ato r   th e  ed d y   cu r r en t  lo s s es  ar e  i n d u ce d   o n l y   b ec a u s e  o f   t h e   s p atial  h ar m o n ics  o f   MM F,  t h e  ti m e  h ar m o n ics  i n   o u r   g e n er ato r   ar e  n o t  s ig n if ica n t.  I n   o th er   co m p eti n g   o p tio n s ,   lo s s e s   i n   p er m a n e n t   m a g n e ts   ar e  g r ea ter ,   s i n ce   t h e  ti m e  h ar m o n ic s   ar e  s ig n i f ican t  i n   th e m .   T h e  co m b i n ed   ex c itatio n   g e n er ato r   is   also   i n f er io r   to   o u r   s o lu ti o n   b o th   i n   ter m s   o f   e f f ic ien c y   a n d   m a s s   o f   t h e   s y s te m .   T ab le  3   s h o w s   t h at  o u r   s y s t e m   h as  m i n i m al  m as s - d i m e n s i o n   p ar a m eter s   a n d   m in i m al   en er g y   lo s s es .   An d   t h is ,   in   th e   ag g r e g ate,   s h o w s   t h e  h i g h   ef f icie n c y   o f   t h e  s o lu tio n   d e v elo p ed .   A l l t h is   is   ac h iev ed   d u e  to   t h e   o p tim a l  elec tr ic   g e n er ato r   d esi g n .   T h e  b asis   o f   th i s   m et h o d   w a s   s e t  f o r th   b y   u s   in   [ 2 4 ] ,   an d   also   t h an k s   to   t h e  u s e   o f   a   n e w   m et h o d   o f   s tab i lizin g   t h e  g e n er ato r   v o lta g e.   Ou r   co n cl u s io n s   ar e  co n f ir m e d   b y   t h e  r es u lt s   o f   ex p er i m e n tal  s t u d ies o f   th e  f u l l - s ize  m o d el.       ACK NO WL E D G E M E NT S   T h e  w o r k   is   d o n e  in   t h e  f r a m e w o r k   o f   th e  p r o j ec t  8 . 1 2 7 7 . 2 0 1 7 /HR   " R esear ch ,   d ev elo p m e n t  a n d   in tr o d u ctio n   o f   ad v an ce d   E lec tr o m ec h a n ical  co n v er ter s   f o r   Au to n o m o u s   o b j ec ts   w it h   a  h y b r id   p o w er   p lan t"       RE F E R E NC E S   [1 ]   V a n   De r  G e e st,   e t  a l. ,   “ M a c h in e   se lec ti o n   a n d   in it ial  d e sig n   o f   a n   a e ro sp a c e   sta rter/g e n e ra to r, ”   in   2 0 1 3   IEE E   In ter n a t io n a l  El e c tric  M a c h in e s  a n d   Dr ive s  Co n fer e n c e ,   IEM DC  2 0 1 3 ,   Ch ica g o ,   IL ,   Un it e d   S tate s,  1 2   M a y   2 0 1 3   th ro u g h   1 5   M a y   2 0 1 3 ,   C o d e   9 8 4 4 5 .   [2 ]   E.   G a n e v   “ S e le c ti n g   th e   Be s t  El e c tri c   M a c h in e s  f o r  El e c tri c a l  P o w e r  Ge n e ra ti o n   S y ste m s,”  IEE E  El e c trica ti o n   M a g a zin e ,   De c e mb e r 2 0 1 4 .   [3 ]   L a h n e   Ha n s - Ch risti a n   a n d   G e rli n g   Die ter  “ In v e stig a ti o n   o f   Hig h - p e rf o r m a n c e   M a teria ls  in   De sig n   o f   a   5 0 0 0 0   r p m   Hig h sp e e d   In d u c ti o n   G e n e ra to r  f o r  Us e   in   A ircra f t  A p p li c a ti o n s,”  AS T ,   2 0 1 5 ,   p p .   1 – 1 0 .   [4 ]   K.  Ra jas h e k a ra ,   e t  a l. ,   “ H y b rid   F u e l  Ce ll   P o w e r  in   A ircra f rt :  A   f e a sib il it y   stu d y   f o r  o n b o a rd   p o w e r  g e n e ra ti o n   u sin g   a   c o m b in a ti o n   o f   so li d   o x id e   f u e l  c e ll s  a n d   g a s  tu rb in e s,”  IEE E  In d u stry   Ap p l ica ti o n   M a g a zin e ,   2 0 0 8 ,   V o l .   1 4 ,   No .   3 ,   p p .   5 4 – 6 0 .   [5 ]   X in   Zh a o ,   e t  a l. ,   “ Re v iew   o f  a ircra f t  e l e c tri c   p o w e r  s y ste m s  a n d   a rc h it e c tu re s,”  in   E n e rg y   Co n fer e n c e   ( ENE RGY CON),  IEE E  In ter n a ti o n a l ,   2 0 1 4 ,   p p .   9 4 9 – 9 5 3 .   [6 ]   R.   I.   J o n e s  “ T h e   M o re   El e c tri c   A ircr a f t:   th e   p a st   a n d   th e   f u t u re , ”   El e c trica l  M a c h i n e s  a n d   S y ste ms   fo r  t h e   M o re   El e c tric A irc ra ft ,   1 9 9 9 ,   p p .   1 / 1 - 1 / 4 .   [7 ]   M .   T o se tt i,   e t  a l. ,   “ Co n j u g a te  h e a t  tran sf e r  a n a l y sis  o f   in teg ra ted   b ru sh les s  g e n e ra to rs  f o r  m o re   e l e c tri c   e n g in e s,”  5 th   A n n u a l  IE EE   En e rg y   Co n v e rs io n   Co n g re ss   a n d   Ex h ib i ti o n .   ECCE   2 0 1 3 ,   De n v e r,   CO,  Un it e d   S tate s,  1 5   S e p tem b e r  2 0 1 3   th r o u g h 1 9   S e p te m b e r  2 0 1 3 .   p p .   1 5 1 8 – 1 5 2 5 .   [8 ]   R.   Bo j o i,   e t  a l. ,   “ Co n tr o l   o f   sh a f t - li n e - e m b e d d e d   m u lt ip h a se   sta rte r/g e n e ra to r  f o r  a e ro - e n g in e , ”   IEE E  T ra n sa c ti o n s   o n   I n d u stria l   El e c tro n ics ,   2 0 1 6 ,   p p .   6 4 1 – 6 5 2 .   [9 ]   A .   Ca v a g n in o ,   e t  a l. ,   “ In teg ra ted   g e n e ra to r  f o r  m o re   e lec tri c   e n g in e :  De sig n   a n d   tes ti n g   o f   a   sc a led - siz e   p ro to ty p e , ”   IEE E  T ra n sa c ti o n s  o n   In d u stry   A p p li c a ti o n s ,   2 0 1 3 ,   Vo l.   4 9 .   Iss u e   5 ,   p p .   2 0 3 4 – 2 0 4 3 .   [1 0 ]   P .   A ru m u g a m ,   e t  a l. ,   “ P e rm a n e n t   M a g n e t  S tarte r - G e n e ra to r  f o r  A i rc ra f t  A p p li c a ti o n , ”   S A E  T e c h n ic a l  Pa p e r  2 0 1 4 - 01 - 2 1 5 7 ,   2 0 1 4 .   DO I:1 0 . 4 2 7 1 / 2 0 1 4 - 01 - 2 1 5 7 .   [1 1 ]   E.   D.  G a n e v ,   “ Hig h - p e r f o r m a n c e   e lec tri c   d riv e s  f o r  a e ro sp a c e   m o re   e lec tri c   a rc h it e c tu re s  p a rt  I  -   El e c tri c   m a c h in e s,”  IEE E  Po we r E n g in e e rin g   S o c iety   Ge n e ra l  M e e ti n g ,   2 0 0 7 ,   P ES   4 2 7 5 3 4 5 .   [1 2 ]   E.   G a n e v ,   “ Hig h - Re a c tan c e   P e rm a n e n t  M a g n e t  M a c h in e   f o r  Hig h - P e rf o rm a n c e   P o w e r   Ge n e ra ti o n   S y st e m s,”  S AE   T e c h n ica l  Pa p e r 2 0 0 6 - 01 - 3 0 7 6 ,   2 0 0 6 .   DO I:1 0 . 4 2 7 1 / 2 0 0 6 - 01 - 3 0 7 6 .   [1 3 ]   Die ter  Ge rli n g   a n d   M o h a m m e d   A ln a jj a r,   “ S ix - P h a se   El e c tri c a ll y   Ex c it e d   S y n c h ro n o u s  G e n e ra to r  fo r  M o re   El e c tri c   A ircr a f t, ”   In ter n a ti o n a l  S y mp o si u m  o n   Po we r  El e c tro n ics ,   E lec trica l  Dr ive s,  Au to ma ti o n   a n d   M o ti o n ,   2 0 1 6 ,   p p .   7 – 13.   [1 4 ]   F .   M a g n u ss e n ,   a n d   C h .   S a d a ra n g a n i,   “ W in d in g   f a c to rs  a n d   Jo u l e   lo ss e s  o f   p e rm a n e n t  m a g n e t  m a c h in e s  w it h   c o n c e n trate d   w in d in g s,”  in   2 0 0 3   IEE E  In ter n a t io n a l  El e c tric  M a c h in e s  &   Dr ive s  Co n fer e n c e   ( IE M DC  2 0 0 3 ) ,   0 1 - 0 4 . 0 6 ,   M a d is o n ,   W isc o n sin ,   USA .   [1 5 ]   G u ra k u q   Da ja k u ,   e t  a l. ,   “ Co m p a riso n   o f   Tw o   F S CW   P M   M a c h in e s  f o r  In teg ra ted   T ra c ti o n   M o to r/ G e n e r a to r, ”   in   2 0 1 5   IE EE   I n ter n a t io n a l  El e c tric M a c h in e s  &   Dr ive s Co n fer e n c e   ( I EM DC) ,   p p .   1 8 7 – 1 9 4 .   [1 6 ]   J. - P .   Be sn a rd ,   e t  a l. ,   “ E lec tri c a l   ro tati n g   m a c h in e s  a n d   p o w e r  e lec tro n ics   f o r  n e w   a ircra f t  e q u ip m e n t  sy ste m s,”   ICAS - S e c re ta ria t   -   2 5 t h   Co n g re ss   o f  t h e   In ter n a ti o n a l  C o u n c il   o f  th e   Aer o n a u ti c a l   S c ien c e s ,   2 0 0 6 .   [1 7 ]   Ev g e n i  G a n e v ,   e t  a l. ,   “ S y ste m   a n d   m e th o d   f o r  fa u lt   p ro tec ti o n   f o r  p e r m a n e n t  m a g n e t  m a c h in e s,”  Pa ten t  US   7 2 7 6 8 7 1   B2 ,   2 0 0 7 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.