Design and Control of Multiple Degrees of Freedom Vertical Hybrid Magnetic Bearing
TUBITAK - Project No: 226M765
Bütçe: 126.000 Euro
2017-2021
Projemizin amacı yüksek hızlı dikey yataklama gereksinimine sahip şaftlar için özgün enerji verimli manyetik yataklama ve yastıklama sisteminin optimal tasarımıdır. Önerdiğimiz enerji verimli manyetik yataklama sisteminin volan enerji depolama sistemine entegresyonu da yapılarak ticarileşme potansiyeline haiz bir prototipin imalatı ve testi hedeflenmektedir. Bu amaçla, Yıldız Teknik Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği ile Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bölümü öğretim üyelerinin katkıda bulunacağı disiplinler arası bir çalışma ortaya konulmaktadır.
Yüksek hızlı şaftlar turbo fan, kompresör, türbin, volan enerji depolama vb. pek çok endüstriyel alanda kullanılan ana unsurların başında gelmektedir. Mekanik temasa dayalı yataklama sistemleri yüksek hızlarda ısı oluşturmaları, çabuk deforme olmaları, yüksek bakım maliyetleri gibi bir takım olumsuzluklar ortaya koyarak şaft hızlarını ve çalışma koşullarını sınırlandırmaktadır. Bu olumsuzlukları ortadan kaldırabilecek teknolojik yaklaşımların başında mekanik temasın ortadan kaldırıldığı manyetik yatakların kullanımıdır. Proje kapsamında yüksek hızlı dikey yataklamalı şaftlar için geleneksel yatakların ortaya koyduğu dezavantajları ortadan kaldıran muadillerine göre daha enerji verimli, özgün bir manyetik yataklama sisteminin optimal tasarımı, prototip üzerinden deneysel doğrulaması çalışılmıştır.
Önerdiğimiz sistemde dikey doğrultulu şaft ve üzerinde olması muhtemel yükün (volan) yastıklaması (havada tutma) 4-kutuplu eksenel hibrid elektromıknatısla, yataklamanın (sapma önleme) ise 4-kutuplu radyal elektromıknatısla yapılması öngörülmektedir. Şaftın döndürülmesi için ise volanı rotor olarak kullanabilecek eksenel akılı kalıcı mıknatıslı motor tasarımı ve entegresi planlanmaktadır. Sistem bu haliyle 6 serbestlik derecesinde kontrole haiz olacaktır. Eksenel ve radyal elektromıknatıslar kontrol açısından kararsız olup geri beslemeli kontrol yöntemleri ile kararlı hale getirilmeleri gereklidir. Bu noktadaki kuramsal yaklaşımımız; eksenel 4-kutuplu elektromıknatısın sıfır – güç (zero - power) kontrol (sadece kalıcı mıknatıs çkeme kuvvetiyle havada kararlılaştırma), radyal 4-kutuplu elektromıknatısların ise sıfır – kutuplama (zero - bias) kontrol ( karşılıklı kutup çekme kuvvetleriyle denge) algoritmaları ile kararlı hale getirilmesidir. Böylece, bozucu girişler (dönme esnasında şaft ve üzerindeki elemanlar üzerine gelebilecek dış kuvvetler) haricinde enerji tüketiminin teorik olarak sıfır, pratikte ise sıfıra yakın seviyelere inecektir. Böylece arzu edilen yüksek enerji verimliliğine ulaşılacak, yüksek performanslı kararlı yataklama ve yastıklama sağlanmıştır.
Projemiz dikey konumlu yüksek devirli şaftlar için mekanik temassız 6 serbestlik derecesinde kontrol ve yataklama kabiliyetine sahip bir manyetik yataklama sisteminin volan enerji depolama uygulamaları için optimal tasarımı ve prototip üzerinden testlerin yapılmasını içermektedir. Bu kapsamda, özgün, enerji verimli, ticarileşme potansiyeli yüksek bir ürün AR-GE si planlanmıştır.
Manyetik yatak ve yastık tasarım kabiliyetinin artırılması (özgün milli tasarım)
Ticarileşme potansiyeli yüksek ve aynı zamanda katma değer üreten ürün tasarımı (volan enerji depolama sistemine entegre manyetik yataklama sistemi)
Kritik alt bileşen olarak kullanılabilecek teknoloji geliştirme ve adaptasyonu (diğer sistemlere entegrasyon fırsatlarının ortaya çıkartılması)
Teknolojik gelişime katkı ve teknolojik sürekliliği sağlayacak yeni konular açma potansiyeli (yeni topolojilerin çalışılması, kendinden algılamalı (self-sensing) sistem tasarımlarının çalışılması, arıza toleranslı (fault – tolerant) kontrol ve işletim çalışmaları) hedef ve amaçlarına doğrudan katkı sağlanacaktır.