Kalıcı mıknatıslı eksenel akılı girdap akımı freninin tasarım optimizasyonu

Bu çalışmada, konvansiyonel manyetik frenlerde manyetik alan kaynağı olarak kullanılan bobinlerin yerine sürekli mıknatıslar seçilmiştir. Bu değişim neticesinde bobin, bobini besleyen elektrik kaynağı çıkarılarak tasarımda sadeleşme sağlanmıştır. Tasarımın temel parametrelerinde değişikler yapılarak, toplam frenleme momenti hesaplanmış ve etkileri irdelenmiştir. Bu hesaplamalar çalışmada kolaylık sağlamak için paket programlar vasıtası ile yapılmıştır. Alüminyumdan imal edilmiş iletken bir disk, N-S sıralı dizilmiş sürekli mıknatıslara yakın bir şekilde döndürüldüğünde, disk içinde manyetik alan değişimine bağlı olarak girdap akımları oluşacaktır. Diskte indüklenen girdap akımları ve manyetik alanın etkisi ile manyetik kuvvetler meydana gelecektir. Bu kuvvetlerin oluşturduğu toplam moment de, frenleme momentini oluşturacaktır. Bu moment, alüminyum disk ve mıknatısların arasındaki hava aralığına, kutup sayısına, alüminyumun öz iletkenliğine, mıknatısların manyetik ters zorlayıcı alanına, mıknatısların tasarımına, diskin geometrik yapısına (yarıçap, kalınlık vb.) bağlı bir fonksiyondur. Konvansiyonel manyetik frenlerde, elektromıknatıs bobinlerden geçen akım değiştirilerek manyetik frenleme kontrol edilir. Üzerine çalıştığımız tasarımda ise manyetik frenleme, sürekli mıknatıslar ile alüminyum disk arasındaki hava aralığı değiştirilerek kontrol edilmiştir. Tasarımın uygulamasında karşılaşılacak bir diğer problem de sıcaklıktır. İletken disk içinde oluşan girdap akımları vasıtası ile mekanik frenleme enerjisi ısı enerjisine dönüşecektir. Bu ısı enerjisi, alüminyum disk üzerine yerleştirilen hava kanaları yardımı ile atmosfere aktarılabilir. Dolayısı ile diskin aşırı ısınması engellenir. Kalıcı mıknatıslı manyetik frenin moment kapasitesini etkileyen en önemli parametrelerden biri de iletken diskin konstrüksiyonudur. Yarıçap, girdap akımlarının oluştuğu etkin alan; gibi büyüklükler frenleme moment kapasitesini doğrudan etkileyen büyüklüklerdir; büyük moment değerlerine ulaşmak için yer sınırlamasından dolayı istenildiği kadar büyük yarıçap ve kalınlık seçilemez. Aksi takdirde, paketleme problemi ile karşılaşılır ve manyetik frenin iki şasi arasına konumlanması imkânsız olur. Ayrıca, ağır bir disk, doğrudan şafta bağlı olduğu için araç dinamiğini etkileyecektir. Bu sebepler göz önünde bulundurulduğundan, disk parametreleri seçilirken, hali hazırdaki diske atıfta bulunulmuştur. Alüminyum disk döndüğünden girdap akımlarının oluşması için alüminyum disk zaman içinde sabit bir manyetik alana değil, değişken bir manyetik alana maruz kalmalıdır. Değişken manyetik alan, mıknatısların bir S kutup ve bir N kutup çiftinin çok sayıda tekrarlanarak dizilmesi ile sağlanmıştır; ancak Halbach dizilişleri gibi fark dizilişler de kullanılabilir. Sıralı mıknatısların kutup sayısı, frenleme momentini etkiyeceği düşünüldüğünden; farklı kutup sayılarında analizler yapılarak kutup sayısının frenleme momentine etkisi irdelendi. Hali hazırdaki ağır vasıta araçlarda kullanılan, bobinli bir manyetik frene atıfta bulunularak ilk olarak 8 kutuplu bir fren tasarlanıp; farklı devir/dakika değerleri için frenleme momenti analiz edildi. Daha sonra kutup sayısı iki katına çıkarılarak, farklı devir/dakika değerleri için tekrar analizler yapıldı. Kutup sayınsın etkisini daha iyi irdelemek için 24 kutuplu bir tasarım daha geliştirilerek, frenleme momenti için analizler koşturuldu. Frenleme momentinin kontrolü, mıknatıslarla alüminyum diskin arasındaki hava aralığı değiştirilerek yapılacağından, farklı hava aralığı değerleri için frenleme momentinin değişimi irdelendi. Farklı kutup sayıları ile yapılan ilk analizler 1 mm hava aralığı ile yapıldığından, ilaveten 3 mm ve 5 mm hava aralığına sahip modellerle de; 600, 900 ve 1200 devir/dakika da analiz edilmiştir. Bu şekilde hava arlığının değişimi, farklı kutup sayılarında nasıl bir frenleme momenti değişim göstereceği gözlendi. İletken diskin üzerine gelen manyetik alan şiddetini artırmak için, bir başka yöntem de mıknatısların arkasına bir boyunduruk yerleştirmektir. Böylece manyetik alan geçirgenliği havaya nazaran çok yüksek malzeme eklenerek, toplam manyetik direnç azaltılır ve alüminyum üzerine daha etkin manyetik alan çizgileri düşmesi sağlanır. Bu çalışmada da boyunduruk eklendikten sonra; 8, 16 ve 24 kutuplu tasarımlarda, 600 devir/dakikada frenleme momenti hesaplatıldı ve boyunduruk etkisi bu tasarımlar için irdelendi. Frenleme momentini etkileyen bir başka tasarım parametresi ise kullanılan mıknatısların kalınlıklarıdır. Mıknatısların kalınlıları artırıldığı takdirde iletken disk üzerinde düşen manyetik akı yoğunluğu artar. Fakat manyetik akı yoğunluğunun artışı mıknatıs boyu ile lineer bir şekilde artmaz. Mıknatıs kalınlığı artıkça manyetik akı yoğunluğu artışı düşer. Mıknatıs kalınlığı etkisi gösterilmesi için 8 mıknatıslı tasarım farklı kalınlıklarla 900 devir/dakikada analiz edilmiş ve frenleme momenti-mıknatıs kalınlığı grafiği çıkartılmıştır. Bu çalışmada manyetik fren momentine etkiyen 4 temel etkiden bahsedilmişidir. Bunlar iletken disk ile mıknatıslar arasında ki hava aralığı, manyetik geçirgenliği yüksek boyunduruk kullanımı, mıknatıs sayısı ve mıknatıs kalınlıklarıdır. Bu parametrelerin manyetik fren momentine nasıl bir etkisi olduğu çalışmanın sonunda değerlendirilip son bölümden tartışılmıştır. Örneğin boyunduruk kullanımı 8 mıknatıslı tasarımda ciddi bir artış sağlarken, aynı artış 24 kutuplu tasarımda gözlemlenmemiştir. Hava aralığı artışı 24 mıknatıslı tasarımda ciddi bir moment kapasitesi düşüşüne sebep olurken, 8 mıknatıslı tasarımın frenleme momenti düşüşü daha az olmuştur. Frenleme momentinin kapasite artışı, mıknatıs kalınların artışı ile bir değerden sonra azalmış ve artış yok denecek kadar küçülmüştür. Benzer şekilde mıknatıs sayısı ile de frenleme momentinde artış gözlemlenmiştir; ancak belirli bir mıknatıs sayısından sonra yüzey etkisi sebebiyle frenleme kapasitesi düşüşe geçmiştir.