Bobinli fırlatıcılar için volanlı eksenel akılı sabit mıknatıslı motor alternatör sistemi tasarımı ve 3D manyetik analizi

Dünyada ve ülkemizde mevcut enerji kaynaklarının sınırlı olması ve gittikçe azalması enerjinin depolanması ihtiyacını doğurmuştur. Bunun için farklı yöntemler kullanılmaktadır. Volanlı enerji depolama sistemleri de bunlardan biridir. Volanlar bir eksen etrafında dönerek enerji depolayan birimlerdir. Genel olarak volanlar, hızlanması esnasında üzerinde enerjiyi toplayıp, yavaşlaması sırasında ise bu enerjiyi gerekli yerlere iletir. Geçmişten günümüze enerji depolama birimi olarak dönme hareketinin kesintiye uğramaması gereken yerlerde kullanılmaktadırlar. Eksenel Akılı Sabit Mıknatıslı alternatörler ise günümüzde yaygın olarak kullanılan alternatör tipidir. Bu makineler radyal akılı makinelere göre bazı benzersiz özelliklere ve avantajlara sahiptir. Gürültü ve titreşim seviyeleri geleneksel makinelerden daha azdır. Sağladıkları güç yoğunluğu ve verimlilik avantajlarından dolayı elektrik makinelerinin kullanıldığı, özellikle düşük devirde yüksek momentin gerekli olduğu alanlarda kullanılmaktadır. Eksenel akılı makinelerde dikkat edilmesi ve giderilmesi gereken hususlardan biri de kalıcı mıknatıslar ile stator olukları arasında oluşan vuruntu momentidir. Literatür incelendiğinde vuruntu momentini azaltmak ve en aza indirmek için stator ve rotor tarafında olmak üzere çeşitli tekniklerin kullanıldığı görülmüştür. Stator tarafında uygulanan teknikler maliyetin fazla olması ve üretim zorluğu açısından tercih edilmemektedir. Bu sebeple rotor tarafında uygulanan teknikler daha çok kullanılmaktadır. Son yıllarda elektromanyetik fırlatıcılar ile ilgili yapılan çalışmalar hız kazanmıştır. Elektromanyetik fırlatıcıların çalışma prensibi manyetik teoriye dayanır. Bu teoriye göre; güçlü bir manyetik alan oluşturularak, fırlatılacak cismin bu manyetik alanı izlemesi sağlanır. Elektromanyetik fırlatıcılar genel olarak bobinli ve raylı olmak üzere ikiye ayrılır. Bobinli fırlatıcılar ardışıl sürücü bobinleri kullanılarak oluşturulan elektriksel itme kuvveti ile bu bobinler arasındaki cismin fırlatılması prensibine dayanır. Bobinli fırlatıcılar daha çok, orta hızlarda fakat büyük kütleli cisimlerin fırlatılmasında önemli rol oynamaktadırlar. Bununla beraber 1-2sn gibi kısa sürelerde yüksek enerjiye ihtiyaç duyarlar. Bu enerjinin sinüsoidal ve yüksek akım değerine sahip olması gerekir. Günümüzde askeri ve savunma alanlarında, uçak ve füze fırlatma sistemlerinde, denizaltılardaki torpidoların fırlatılmasında, mermilerin yüksek menzilli atışlarında ve daha birçok alanda manyetik fırlatıcılar kullanılmaktadır. Bu çalışmada bobinli manyetik fırlatıcılar için Volanlı Eksenel Akılı Sabit Mıknatıslı (VEASM) motor-alternatör seti tasarlanmış ve bu tasarımın manyetik analizleri ANSYS firmasının 3D Maxwell programı ile gerçekleştirilmiştir. Makine önce 2P=2 kutuplu, sonra da 2P=12 kutuplu olarak tasarlanmış olup her iki durumda da değişen parametreler dikkate alınarak manyetik analizler gerçekleştirilmiştir. Böylece en uygun makine yapısına ulaşmak amaçlanmıştır. Manyetik analiz sonuçları doğrultusunda sonraki çalışmalarda volanlı enerji depolama sistemi (VEDS)'nin üretimi gerçekleştirilecektir. 2 kutuplu EASM makine için ayak genişliği Ag, ayak yüksekliği Ah, sargı genişliği Sg, boyunduruk yüksekliği Bh, mıknatıs açısı Md, hava aralığı Airg, mıknatıs yüksekliği Mh ve mıknatısın gömülü olmayan kısım yüksekliği Mgh değerleri programda değişken olarak alınmıştır. Yapılan analizlerin sonucunda da Ag, Ah, Md, Mh ve Mgh için sırasıyla elde edilen değerler 2,5-3mm, 10-12mm, 50, 7-8mm ve 0mm olarak bulunmuştur. 12 kutuplu EASM makine yapısı için yapılan manyetik analizlerde Maxwell 3d programında ayak genişliği Ag, ayak yüksekliği Ah, boyunduruk yüksekliği Bh, mıknatıs açısı Md, hava aralığı Airg ve rotor açısal dönüş derecesi AlfaR değerleri değişken olarak alınmıştır. 12 kutuplu EASM makine yapısı için sonuçlar incelendiğinde Ag, Ah ve Md sırasıyla 5-6mm, 12mm ve 30 derece en uygun değerler olarak tespit edilmiştir.