Süperiletken manyetik yataklı volan sisteminin modellenmesi ve deneysel çalışması

Abstract

Bu tezin hazırlanmasındaki deney ve çalışmaların çoğu Tübitak (Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu) destekli 213M581 no'lu "Süperiletken Manyetik Yataklarda Donmuş Görüntü Esaslı Katılık Modellemesi Ve Deneysel Çalışması" projesi kapsamında gerçekleştirilmiştir. Proje kapsamında tek bir halka şeklindeki yüksek sıcaklık süperiletkeni (YSS) ve özgün olarak tasarlanmış bir volan-rotor üzerine yerleştirilmiş sabit mıknatıslar (SM) kullanılarak deneysel test sistemi oluşturulmuştur. Süperiletken manyetik levitasyonundaki YSS-SM etkileşimi donmuş görüntü (frozen image) yaklaşımı ile modellenerek levitasyon kuvvetleri ve yay katsayısı değerlerindeki değişimler deneysel olarak incelenmiştir. Süperiletken manyetik levitasyonunda birden çok sabit mıknatıs kullanılması ve sabit mıknatıslar arasındaki farklı kutuplardaki yerleşimler elde edilen levitasyon kuvvetlerini etkilemektedir. Süperiletken manyetik levitasyonu mühendislik anlamında sürtünmesiz bir yataklama sağladığından büyük bir kullanım potansiyeli içermektedir. Temel problem, böyle bir yataklama durumunda levitasyon yay katsayısının makine sistemleri için gerekli büyüklükte olmamasıdır. Özellikle levitasyon esnasında yay katsayısını arttırmak için farklı süperiletken sabit mıknatıs konfigürasyonları geliştirilmektedir. Bu nedenle süperiletken ile mıknatıs arasındaki etkileşiminin matematiksel olarak modellenmesi ve deneysel olarak doğrulanması önem arz etmektedir. Tez çalışması kapsamında, YSS ile özgün volan-rotor arasında levitasyon durumunda eksenel ve radyal kuvvet ölçümleri yapılmıştır. Süperiletken deneylerinin tekrarlanabilirliğini kolaylaştıran ve ölçümlerin hassasiyetini artıran deney düzeneği geliştirilmiştir. Tekrarlanan deneylerin neticesinde, süperiletken ile volan arasındaki maksimum levitasyon kuvvetinin, volan üzerinde üç mıknatıs bulunduğu ve mıknatısların çekme-çekme polarizasyonunda yerleştirildiği levitasyon durumunda oluştuğu gözlenmiştir. Bu çalışmada ayrıca süperiletken manyetik yataklanan volan-rotorun matematiksel modellemesi yapılmıştır. Volan-rotorun doğal frekans analizleri deneysel olarak yapılmış ve volan hava jeti ile kararlı bir şekilde döndürülmüştür.

Most of the experiments and studies preparing this thesis have been carried out under The Project 213M581 "Frozen Image Based Stiffness Modelling At Superconductive Magnetic Bearings And Experimental Study" funded by Tübitak (The Scientific and Technological Research Council of Turkey). In the project, the interaction in an experimental superconducting magnetic levitation generated by a single ring shaped high temperature superconductor (HTS) and fixed permanent magnets (PM) placed on a specially designed flywheel rotor is modeled mathematically. A multi surface levitation concept using three permanent magnets and one high temperature superconductor in a levitation configuration is studied experimentally for different cases to increase the levitation forces. For this reason, mathematical modeling and experimental verification of the interaction between superconductor and magnet is important. Within the scope of the thesis study, axial and radial force measurements were made in the case of levitation between HTS and original flywheel-rotor. An experimental setup has been developed that facilitates the repeatability of superconductor experiments and increases the sensitivity of the measurements. As a result of many experiments, it was observed that the maximum levitation force between the superconductor and the flywheel is in the levitation state where there are three magnets on the flywheel and the magnets are placed in the pull-pull polarization. In this study, mathematical modeling of flywheel-rotor with superconducting magnetic bearing was also done. The natural frequency analysis of the flywheel-rotor was experimentally conducted and the flywheel was steadily rotated by air jet.