Eş eksenli manyetik dişlilerin tasarımı, imalatı ve kanatçık tahrik sistemlerine uygulanması

Havacılık, uzay ve savunma sektörleri başta olmak üzere birçok alanda ortaya çıkan ihtiyaçları karşılayabilecek özelliklere sahip yenilikçi güç aktarım mekanizmalarına olan ihtiyaç her geçen gün artmaktadır. Bu bağlamda, yağsız ve sürtünmesiz koşullarda çalışabilen bir güç aktarım elemanı olarak Manyetik Dişlilerin (MD) bu alanlarda ortaya çıkan ihtiyaçları karşılama potansiyeli olup, bu konuda araştırmalar özellikle son yıllarda ivme kazanmıştır. Benzer bir motivasyonla gerçekleştirilen bu tez çalışması kapsamında, Kanatçık Tahrik Sistemlerinin (KTS) güç aktarım mekanizmalarında kullanılmak üzere eş eksenli MD'ler, iki boyutlu (2B) ve üç boyutlu (3B) sonlu elemanlar modelleme yaklaşımı kullanılarak gerçekleştirilen Elektromanyetik Sayısal Analiz (ESA) bulguları dikkate alınarak tasarlanmış, performans kriterlerini en üst seviyede sağlayan tasarımlar imal edilmiş ve gerçekleştirilen deneysel performans testleriyle MD'lerin uygulama açısından potansiyelleri ortaya konmuştur. KTS uygulaması için gereksinim duyulan aktarma oranını ve Hacimsel Tork Yoğunluğu (HTY) değerlerini (5-5,5 ve ~230 Nm/L) sağlayabilecek MD tasarımlarının geliştirilmesinde önce uygun kutup çifti ve segment sayıları farklı kombinasyonlar dikkate alınarak belirlenmiştir. Daha sonra, Radyal Dizilim (RD), Halbach Dizilim (HD) ve Akı Konsantrasyonlu Halbach Dizilim (AKHD) olmak üzere üç farklı mıknatıs dizilim tipi dikkate alınarak, arzu edilen performans hedeflerini sağlama potansiyeli en yüksek olan mıknatıs dizilim tipi farklı geometrik parametreler değişken olarak tanımlanıp gerçekleştirilen ESA ile belirlenmiştir. ESA sonuçları, belirlenen performans hedeflerini sağlama potansiyeline en yüksek seviyede sahip tasarımların AKHD MD olduğunu göstermiştir. Ayrıca, ESA sonuçları, uygun tasarım ve mıknatıs seviyesi parametrelerinin seçimiyle AKHD MD tasarımlarının performansının dikkate değer mertebede iyileştirilebileceğini göstermiştir. AKHD MD tasarımlarında Orta Rotor (OR) malzemesi olarak ayrıca, AISI 1018 ve laminasyonlu elektrik çeliğinin kullanıldığı iki farklı MD versiyonu dikkate alınmış ve bu tasarımların performansları HTY açısından karşılaştırılmıştır. ESA'dan elde edilen kuvvetler ve MD'nin çalışma prensibine göre mekanik sınır koşulları, sonlu elemanlar modelleme yaklaşımı kullanılarak AKHD MD tasarımlarına uygulanmış ve gerçekleştirilen yapısal analizlerle MD tasarımlarının mekanik yönden de performansları ortaya konmuştur. Geliştirilen AKHD MD tasarımlarının deneysel olarak da performanslarının ortaya konulması noktasında tasarım bileşenlerinin imalat ve montajları farklı imalat yaklaşımları ve özel olarak geliştirilen yardımcı aparatlar kullanılarak gerçekleştirilmiştir. İmal edilen MD'lerin kutup çifti ve segment sayılarından türetilen aktarma oranı, test düzeneği kullanılarak deneysel olarak elde edilip, bulguların sayısal sonuçlarla tutarlılığı gösterilmiştir. AKHD MD versiyonlarının aktarma oranlarının sayısal analizlerle tutarlı şekilde 5,32-5,35 aralığında olduğu deneysel olarak gösterilmiştir. Ayrıca, MD tasarımlarının performansları, tasarlanan gerçek zamanlı yükleme sistemi ile deneysel olarak detaylı şekilde incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. İlk olarak MD versiyonlarının sınırları zorlanarak kendinden emniyetli duruma geçtiği çıkış tork değerleri elde edilmiş ve ardından HTY değerleri her iki versiyon için deneysel olarak ölçülmüştür. Bu noktada, HTY değerleri birinci ve ikinci MD versiyonları için sırasıyla 221,66 Nm/L ve 229,46 Nm/L olarak elde edilmiştir. Ayrıca, farklı hız ve tork yüklemelerinde yapılan testler ile her iki tasarım için verim değerleri deneysel olarak elde edilmiştir. Bu bağlamda, yüksek çıkış tork değerlerinde %99,9'a varan verim değerleri hesaplanmıştır. Daha sonra, geliştirilen MD'ler tipik bir KTS mekanizmasına entegre edilerek, performansları deneysel olarak incelenmiştir. Bu noktada, öncelikle KTS mekanizmasının çalışma prensibine göre sınır koşulları, sonlu elemanlar modelleme yaklaşımı kullanılarak tasarımlara uygulanmış ve gerçekleştirilen yapısal analizlerle tasarlanan sistemin emniyetli şekilde yükleri taşıyabileceği gösterilmiştir. Sonrasında, farklı OR versiyonlarının kullanıldığı MD'li KTS tasarımlarının gerçek zamanlı yükleme sistemi ile performansları incelenmiş ve KTS için hedeflenen HTY değerine ulaşıldığı deneysel olarak gösterilmiştir. Hassas pozisyon kodlayıcılar ile gerçekleştirilen deneysel testlerin sonucunda manyetik tork yay sabitleri elde edilmiş ve bulgular sayısal sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Farklı tork yüklerinde çıkış pozisyonunun doğrusal olmayan bir davranış göstermesi, farklı yapıda kontrol algoritmalarının gelişmesinin gerekliliğini ortaya koymuştur. Bu tez kapsamında elde edilen sonuçlar bir güç aktarım elemanı olarak MD'lerin KTS ve benzeri uygulamalar özelinde kullanılabilme potansiyeli ile avantaj ve dezavantajlarını ortaya koymuş olup, bu bağlamda elde edilen bulgular tasarımcılara çalışmalarında yol gösterici olacaktır.