Koaksiyel manyetik dişlinin moment analizinin sonlu elemanlar yöntemi ile gerçekleştirilmesi

Dişliler, günlük hayatın neredeyse her alanında yer aldığı; hız değişikliği, moment iletimi, yön değişikliği vb. uygulamaları gerçekleştiren, fiziksel yapılardır. Bu yönüyle dişlilerin yeri ve önemi göz ardı edilemeyecek kadar büyüktür. Hız ve moment büyüklükleri ihtiyaç duyulan değerlere yükseltmesi veya alçaltması dişlileri vazgeçilmez kılmıştır. Taşıtlar, rüzgâr santralleri, saat mekanizmaları başta olmak üzere çeşitli endüstri uygulamalarında örnekleri görülebilen bu fiziksel yapılar aşırı yükten, ısınma, sürtünme ve malzemenin yorulmaya maruz kalması gibi olumsuzluklardan büyük zarar görmektedir. Aşırı yüke ve aşırı ısıya karşı periyodik bakım, yağlama vb. koruyucu önlemler alınmaktadır. Ancak bu önlemlerin sürekliliği maliyetini de beraberinde getirir. Manyetik dişlilerde mekanik temas sonucu meydana gelen mekanik yorulma, sürtünme vb. problemlerin görülmemesi manyetik dişlilerin gündemde yer almasına neden olmuştur. Son yıllarda manyetik dişli kavramı hem endüstrinin hem de araştırma merkezlerinin ilgisini çekmiş ve bu ilgi yakın zamanda hız kazanmıştır. Dergi, makale, patent ve konferans aracılığıyla gerek akademide gerekse endüstride manyetik dişlinin gündemde kalması sağlanmıştır. Ancak manyetik dişlilerdeki moment belli bir üst değerle sınırlıdır. Moment sınır değeri, dişlinin erişebildiği maksimum moment değerinin olması anlamına gelir. Eğer dişlinin sahip olduğu moment değeri moment sınır değerini aşıyor ise dişli çarkta kayma problemi gözükecektir. Uygulamalarda bu problemin gözükmemesi için gerekli önlemler alınarak moment sınır değerin aşılmaması sağlanır. Moment sınır değerinin korunması fiziksel sistemin korunması açısından da son derece önemlidir. Burada karşılaşılan durum ise manyetik dişlide görülebilecek bir dezavantaj olarak nitelendirilebilir. Manyetik dişli kavramının avantajları günlük hayatta öneme sahip olmasına karşın bu kavramın ortaya çıktığı ilk zamanlarında ne akademi ne de endüstri açısından gerekli ilgiyi görememiştir. Bu durumun nedenleri arasında sistemin karmaşıklığı ve sürekli mıknatısların ilk örneklerinin yeterli özelliklerde olmaması olarak sıralanabilir. Dişlerin yerini kutupların yer aldığı bu mekanizmanın ilk örneklerinde elektromanyetik özellik görülüyor iken yirminci yüzyılın ortalarına doğru sürekli mıknatıslardan elde edilmeye başlanmış olup hakkında yayımlanan her patentle gelişime açık hale gelmiştir. Sürekli mıknatıs sınıfında yer alan NdFeB ve SmCo nadir toprak elementlerin yer aldığı mıknatıs türüdür. Diğer sürekli mıknatıslar ise Ferrit ve Alnico olup piyasada yaygın olarak kullanılmaktadır. Tez çalışmasının birinci bölümünde mekanik dişlilerin genel kullanım alanları kısaca tanıtılmış olup günlük hayatta karşılaşılan dezavantajları sıralanmıştır. Bazı uygulamalarda doğrudan tahrik sistemlerin kullanıldığı ve bu sistemden verim alındığı vurgulanarak manyetik dişlinin açıklamasına geçilmiştir. Manyetik dişlide mekanik temasın görülmemesi sonucunda mekanik dişlide karşılaşılan bazı dezavantajlar görülmemektedir. Ancak moment yoğunluğunun düşüklüğü bu tür yapılarda karşılaşılan bir dezavantaj olarak belirtilebilir. Bu bölümde ayrıca manyetik dişlinin geçmişten bugüne kadarki gelişimi, yapılan araştırmalar ve elde edilen sonuçlar literatür çalışması kapsamında tanıtılmıştır. İkinci bölümde dişli sistemlerinin tanımı yapılmış olup günlük hayatta kullanılan dişli türleri; yapısal özellikleri, avantajları ve dezavantajlarıyla birlikte kısaca tanıtılmıştır. Üçüncü bölümde manyetizma kavramlarına ve manyetik malzemelere yer verilmiştir. Manyetik malzemelerin sıcaklıkla etkilenmesi özellikle Curie sıcaklığı kavramı altında kısaca açıklanarak vurgulanmıştır. Bu bölümde aynı zamanda nadir toprak elementleri ve bu malzemelerin günlük hayatta kullanım şekilleri tablo halinde listelenmiştir. Dördüncü bölümde manyetik dişlilerde moment analizini gerçekleştirmek amacıyla yararlanılacak olan sonlu elemanlar yöntemine değinilmiştir. Analitik yöntemle çözümü zaman alan ve zor problemlerin çözümünde bu yönteme başvurulur. Piyasada sonlu elemanlar yöntemi prensibiyle çalışan programlardan COMSOL Multiphysics 5.3 ve FEMM 4.2 tez çalışması kapsamında kullanılmıştır. Beşinci bölümde COMSOL ve FEMM programları kısaca tanıtılmıştır. Programların çalıştırılması için gerekli yönergeler hem şekil ile hem de çizelgeler ile anlatılmıştır. Altıncı bölümde ise COMSOL ve FEMM programları kullanılarak farklı parametredeki manyetik dişlilerin moment analizi yapılmıştır. Her iki programdan elde edilen analiz sonuçları grafiklendirilmiş olup her bir çıktı yorumlanmıştır. Farklı iç ve dış rotor hızlarındaki dişlilerin moment grafikleri statik ve dinamik durumlar için elde edilmiştir. Bu kapsamda manyetik dişlideki dişli kalınlığının moment değerine ve moment verimliliğine olan etkisi incelenmiştir. Bu bölümde ayrıca süperiletken kullanımına ait bazı formülasyonlara yer verilmiştir. Klasik manyetik dişlilerin stator halkasında görülen boşluk yerine süperiletken külçesi yerleştirilerek farklılıklar gözlemlenmiştir. Bu durumda moment miktarında artışa karşın ilgili grafikte dalgalanmalar da gözlemlenen bir sonuçtur. Pek çok olumlu yönleri bulunan bu manyetik dişliler için yapılan çalışmalar oldukça yetersizdir. Buna rağmen teknolojinin gelişmesine paralel olarak manyetik dişliler üzerine yapılacak teorik ve pratik çalışmalar gelişim göstererek gerek verim gerekse moment ve moment yoğunluğu açısından sonuçların olumlu yönde olmasını sağlayacak; ayrıca daha iyi ve daha verimli tasarımların önünü açacaktır. Hem mekanik dişliler hem de manyetik dişliler açısından güvenlik faktörleri önemli rol oynamaktadır. Verim, moment ve kuvvet kapasitesi, güvenlik ve mekanik özelliklerine göre yapılan araştırmaların sonuçlarına bakılacak olursa manyetik dişlilerin mekanik dişliye göre kullanışlı olduğu ve manyetik dişlilerin ilerleyen zaman diliminde mekanik dişlilerin yerini alabileceği öngörülebilir. Hibrit araçlar, rüzgâr santralleri, aerospace, otomotiv endüstrisi vb. dişlilerin kullanılabildiği her alanda kendisini gösterecek ve insanlığa katkısını sunacaktır. Ancak üretim maliyetlerinin ve nadir toprak elementlerinin maliyetlerinin yüksek olması günümüz piyasasında manyetik dişlilerin yaygınlaşmasını engelliyor olsa da teknolojinin gelişmesiyle birlikte maliyet değerlerinin düşmesi ve bu sayede manyetik dişlilerin daha da yaygınlaşması beklenmektedir. Sonuç olarak, manyetik dişliler ile ilgili literatür, endüstriyel uygulamalar için gerçekleştirecek çalışma koşullarının yeterli olduğunu göstermektedir. Bu tezde, elektromanyetik analiz için yaygın olarak kullanılan sonlu elemanlar yöntemi yardımıyla belirli bir manyetik dişli konfigürasyonu incelenmiştir. Manyetik dişlide süperiletkenin kullanımı ayrıca farklı geometrilerin değerlendirilmesiyle birlikte tartışılmıştır.