Design and implementation of magnetic bearings in rotary blood pump
Dönel kan pompasında manyetik rulmanların tasarlanması ve uygulanması
- Tez No: 473044
- Danışmanlar: PROF. DR. ALPER TUNGA ERDOĞAN, PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 177
Özet
Manyetik rulmanların moment tekerlekleri, moleküler pompalar, yüksek hızlı motorları, volan enerji depolama sistemleri ve ventriküler yardımcı cihazlar gibi alanlarda uygulamaları bulunmaktadır. Geleneksel mekanik rulmanlara kıyasla temassız çalışma prensibi daha düşük sürtünme, daha az ısı üretimi ve daha az güç tüketimi avantajlarını beraberinde getirir. Manyetik rulmanların iki tipi vardır: aktif manyetik rulmanlar ve pasif manyetik rulmanlar. Pasif manyetik rulmanlar rulman kuvvetlerini üretmek için kalıcı mıknatıslardan yararlanmaktadır. Avantajları arasında çalışma için herhangi bir elektrik enerjisine ihtiyaç duyulmaması ve rulman rijitlik ve sönümlemesinin daha kolay kontrolü bulunur. Pasif manyetik rulmanlar, bir rotoru beş serbestlik derecesinin sadece dördünde dengeleyip sabit hale getirebilir. Bu nedenle, rotorun tamamen stabilize edilmesi için beşinci serbestlik derecesinde aktif kontrol gereklidir. Aktif manyetik rulmanların çalışmasında ise elektromıknatıslar kullanılır. Bu iki tip rulmanın kombinasyonu hibrit manyetik rulman olarak adlandırılır. Hibrit manyetik rulmanlar kan pompalarında, vakum pompalarında ve üretim tezgâhı takımlarında kullanılmaktadır. Hibrit manyetik rulmanların tasarımı için manyetik alanların elektromıknatıslar ve sürekli mıknatısların arasında dağılımı önemli bir faktördür, çünkü hibrit manyetik rulmanların sönümlenmesi ve sertliği manyetik alanın toplam gücüne bağlıdır. Bununla birlikte, manyetik akı yoğunluğunun ölçümü, rotor ve stator arasında daha küçük hava boşlukları bulunması nedeniyle kolay değildir. Ayrıca, sönümleme ve rijitlik; kontrol akımları, manyetik akı ve hava boşlukları ile doğrusal olmayan bir şekilde ilişkilidir. Manyetik rulmanların tasarımı için manyetik devre yöntemi yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak bu yöntemde kaçak akı, girdap akımları, saçaklanma etkisi, histerezis etkileri, isteksizlik ve doğrusalsızlık faktörleri dikkate alınmaz. Manyetik devre yönteminde birçok varsayım ve basitleştirme olduğu için, bu yöntemle elde edilen modeller manyetik alanların kesin dağılım bilgisini sağlamazlar. Ayrıca, bu yöntemle elde edilen sönümlenme ve sertlik düşük hassaslığa sahiptir. Bu nedenle, manyetik devre yönteminden daha hassas bir manyetik alan yöntemi, hibrit manyetik rulmanların tasarımı için kullanılmalıdır. Sonlu Elemanlar Yöntemi (FEM) analizi sayısal araçlara dayanmaktadır. Manyetik devre yöntemi ile karşılaştırıldığında, FEM analizi kullanılarak elde edilen modeller, ilgili fiziksel prototip sisteme özdeşlik bakımından daha yakındır. Bu araştırmada, bir hibrit manyetik rulman prototipi kurulumu FEM analizi kullanılarak tasarlanmıştır. Sönümleme, sertlik, manyetik akı dağılımı, radyal ve aksiyal (axial) yöndeki kuvvetler, dönüş sayısı ve elektromıknatıslar için akım FEM analizi kullanılarak optimize edilmiştir. Yapılan optimizasyona dayanarak, bir prototip kurulumu üretilmiştir ve hibrit manyetik rulman prototipinin farklı özellikleri deneysel olarak doğrulanmıştır. Manyetik rulman sisteminin kontrolü; sistem bozuklukları, modellenmemiş dinamikler ve doğrusal olmayan etkiler varlığında kritik bir sorundur. PID kontrolü gibi klasik kontrol teknikleri, bu bozulmalara ve parametre değişimlerine karşı sağlam bir çözüm sağlayamamaktadır. Bu nedenle, gelişmiş bir adaptif kayma modu denetleyicisi, hibrit manyetik rulman sistemi için tasarlanmış ve denetleyicinin etkinliğini görmek için deneysel olarak prototip kurulumuna uygulanmıştır. Manyetik rulmanları kullanan üçüncü nesil aksiyal akışlı kan pompalarının, aksiyal yönde normalden uzun rotor boyutları barındırmaları bir problem teşkil etmektedir. Eksenel akış pompasının rotoru bir sütun şeklindedir ve bu nedenle yalnızca tek bir manyetik rulman, rotoru eğilme yönünde ve radyal yönde dengeleyemez. Pervanenin kendisini döndürmek ve ilave motor ünitesi ile pompanın pervanesini tam olarak dengelemek için, aksiyal akış pompasının en azından iki adet radyal manyetik rulmana sahip olması gereklidir. Ayrıca, üçüncü nesil aksiyal akışlı pompaların tamamen çalışabilmesi için en az iki adet rulmansız motor birimi gereklidir. Bu araştırmanın amacı, çarkın dönme ve havaya kaldırılma işlemi için sadece bir adet rulmansız motor birimi içeren, üçüncü nesil aksiyal akışlı bir kan pompası tasarlamaktır. Pervanenin ve toplam pompa sisteminin tasarımını optimize etmek için hesaplamalı akış dinamikleri (CFD) analizi yapılmıştır. Yapılan optimizasyona dayanarak, rotor aksiyal uzunluğunun rotor çapından çok daha küçük olduğu kapalı bir pervane bazlı rotor sistemi önerilmektedir. Bu nedenle, pompanın komple çalışması için sadece bir adet rulmansız motor sistemi gereklidir. Genel olarak, girdap akım sensörleri, rulmansız ve fırçasız DC motorlarda ve rulmansız sabit mıknatıslı senkron motor sistemlerinde, rotorun radyal konumunu ölçmek için kullanılırken, Hall Efekt sensörleri rotorun açısal konumunu ölçmek için kullanılır. Üçüncü nesil kan pompasının önerilen optimize edilmiş tasarımında girdap akım sensörünün kullanılması, pompanın çok daha küçük çapı olması nedeniyle mümkün değildir. Bu nedenle, önerilen tasarımdaki rotorun radyal konumunu ölçmek için bir algılayıcı sistemi geliştirilmelidir. Bu araştırmada, rotorun radyal ve açısal konumunun doğrusal Hall Efekti sensörleri ile ölçülmekte olduğu, yeni bir kan pompasının rotor düzeneği için yeni bir tasarım önerilmiştir. Sensör grubunun çalışma prensibi ayrıntılı olarak açıklanmış ve rotor kontrol sistemi, Hall Efekt radyal konum sensörlerine dayanılarak açıklanmıştır. Minyatür aksiyal akışlı kan pompası için rulmansız motorun yeni tasarımının sonlu elemanlar analizi (FEM) de yapılmıştır. Pasif ve aktif rijitlik, sönümlenme, manyetik akı dağılımı, kuvvetler ve akımlar; sonlu elemanlar analizi ile elde edilmiş ve bu simülasyon verileri, deneysel elde edilmiş veriler ile karşılaştırılmıştır. Sonlu elemanlar analizi ile elde edilen sonuçların deneysel veriler ile iyi bir uyum gösterdiği gözlemlenmiştir. Tasarlanan motor sisteminin deneysel bir düzeneği üretilmiştir ve önerilen rulmansız sabit mıknatıslı motorun performansı, çeşitli test koşulları altında değerlendirilmiştir. Tasarlanan adaptif kontrol cihazı, rotorun radyal yöndeki yer değişiminin Hall Efekti sensörleri ile ölçüldüğü rulmansız motorun yeni tasarımına uygulanmıştır. Rotor düzeneğinde iki sabit mıknatıs halkası bulunmaktadır. Bu halkalardan biri rotorun radyal yönünün yer değiştirmesini ölçmek için kullanılırkenö diğer halka da rulmansız motor ve radyal rulman kuvvetleri için tork üretimini sağlamaktadır. Bu nedenle, rotor sisteminde kuvvetli manyetik kuplaj mevcuttur ve gelişmiş kontrolör uygulaması için doğru radyal pozisyon bilgisi gerekmektedir. Bu nedenle, rotorun radyal konumu ilk önce adaptif olarak tahmin edilmektedir ve buna bağlı olarak önerilen rulmansız motor sisteminin pozisyon kontrolü için bir sürmeli mod kontrolörü tasarlanmıştır. Simülasyon ve deney sonuçları, klasik kontrol tekniklerine kıyasla, tasarlanmış uyarlanabilir kontrol cihazı kullanılan rulmansız motorun, daha iyi konum takibini başardığını göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Magnetic bearings have applications in the fields of moment wheels, molecular pumps, high speed motors, flywheel energy storage systems and ventricular assist devices. They have the advantages of non-contact operation, lower friction, less heat generation and less power consumption as compared to the conventional mechanical bearings. There are two types of the magnetic bearings, active magnetic bearings and passive magnetic bearings. Passive magnetic bearings make use of permanent magnets to generate the bearing forces. Their advantage is that no electrical power is needed for their operation and also easier control of the bearing stiffness and damping. Passive magnetic bearings can stabilize a rotor in only four out of five degrees of freedom. Therefore, active control is needed in the fifth degree of freedom to completely stabilize the rotor. Electromagnets are used for the operation of active magnetic bearings. The combination of these two types is known as the hybrid magnetic bearings. Hybrid magnetic bearings are used in the blood pumps, vacuum pumps, and machine tools etc. For designing the hybrid magnetic bearings, the distribution of the magnetic fields across the electromagnets and the permanent magnets is a major factor because the damping and the stiffness of the hybrid magnetic bearings depend upon the strength of the magnetic field. However, the measurement of the magnetic flux density is not easier because of the smaller airgaps between the rotor and the stator. Also, the damping and the stiffness are nonlinearly related to the control currents, magnetic flux and the airgaps. For designing the magnetic bearings, magnetic circuit method is used widely. However, in this method, the leakage flux, eddy currents, effects of fringing, the hysteresis effects, reluctances and the nonlinearities are ignored. As there are lot of assumptions and simplifications involved in the magnetic circuit method, the models obtained through this method do not provide the exact distribution of the magnetic fields. Also, the damping and the stiffness obtained through this method have low precision. Therefore, a field method more precise than the magnetic circuit method should be used for designing the hybrid magnetic bearings. Finite element Method (FEM) analysis is based on numerical tools. As compared to the magnetic circuit method, the models obtained using FEM analysis are more identical to the corresponding physical prototype system. In this research, a hybrid magnetic bearing prototype setup is designed using the FEM analysis. The damping, stiffness, magnetic flux distribution, forces in the radial and axial direction, the number of turns and the current for the electromagnets are optimized using FEM analysis. Based upon the optimization performed, a prototype setup is manufactured and the different properties of the hybrid magnetic bearing prototype are experimentally verified. The control of the magnetic bearing system is a critical problem in the presence of the disturbances, unmodeled dynamics and nonlinearities. The classical control techniques such as PID control cannot give robustness against theses disturbances and parameter variations. Therefore, an advanced adaptive sliding mode controller is designed for the hybrid magnetic bearing system and experimentally applied to the prototype setup to see the effectiveness of the designed controller. The third-generation axial flow blood pumps utilizing the magnetic bearings suffer from the problem of longer rotor size in the axial direction. The rotor of the axial flow pump resembles a column, therefore only one magnetic bearing cannot stabilize the rotor in the tilt direction and in the radial direction. At least two radial magnetic bearings are needed for the axial flow pump to fully stabilize the impeller of the pump with additional motor unit as well to rotate the impeller. Also, at least two bearingless motor units are required for the complete operation of the third-generation axial flow pumps. The aim of this research is to design a third-generation axial flow blood pump using only one bearingless motor unit for the rotation as well the levitation of the impeller. The computational fluid dynamics (CFD) analysis is performed in order to optimize the design of the impeller and overall pump system. An enclosed impeller based rotor system is proposed based upon the optimization performed, in which the rotor axial length is much smaller as compared to the diameter of the rotor. Therefore, only one bearingless motor system is required for the complete operation of the pump. Generally, eddy current sensors are used for measuring the rotor radial position in the bearingless brushless DC motors and bearingless permanent magnet synchronous motor systems, while Hall Effect sensors are used for measuring the rotor angular position. The eddy current sensor's application in the proposed optimized design of the third-generation blood pump is not possible due to the much smaller diameter of the pump. Therefore, a sensor system must be developed in order to measure the radial position of the rotor in the proposed design. In this research, a novel design for the rotor assembly of the novel blood pump is proposed, in which the rotor radial position is measured with the linear Hall Effect sensors in addition to the rotor angular position. The working principle of the sensor assembly is explained in detail and the rotor control system is explained based upon the Hall Effect radial position sensors. Finite element analysis of the novel design of bearingless motor for the miniature axial flow blood pump is also performed. The passive and active stiffness, damping, magnetic flux distribution, forces and currents are obtained through the finite element analysis and compared with the experimental data. The results obtained through finite element analysis show a good agreement with the experimental data. An experimental setup of the designed bearingless motor system is manufactured. The performance of the proposed bearingless permanent magnet motor is evaluated under various test conditions. The designed adaptive controller is applied to the novel design of the bearingless motor in which the radial direction displacement of the rotor is measured using Hall Effect sensors. There are two permanent magnet rings in the rotor assembly, one ring is used for measuring the rotor radial direction displacement and one ring is used for generating the torque for the bearingless motor and the radial bearing forces. Therefore, strong magnetic coupling exists in the rotor system and accurate radial position is required for the advanced controller implementation. Therefore, the radial position of the rotor is first adaptively estimated and then a sliding mode controller is designed for the position control of the proposed bearingless motor system. The simulation and experimental results show better position tracking of the proposed bearingless motor using the designed adaptive controller as compared to the classical control techniques.
Benzer Tezler
- Uydu entegre güç ve yönelim kontrol sistemlerinde kullanılabilecek bir volanlı enerji depolama biriminin tasarımı ve gerçeklenmesi
Design and implementation of a flywheel energy storage unit for integrated satellite power and attitude control system
KUTLAY AYDIN
Doktora
Türkçe
2010
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET TİMUR AYDEMİR
- 1,5kW IE4 verim sınıfı asenkron motor ve şebeke kalkışlı daimi mıknatıslı senkron motor tasarımları ve performans karşılaştırması
Designs of 1,5kW IE4 efficiency class induction and line start permanent magnet synchronous motors and comparison of their performance
HAKAN GEDİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LALE ERGENE
- Küçük güçlü daimi mıknatıslı doğru akım silecek motoru tasarımı ve gerçekleştirilmesi
Başlık çevirisi yok
SERKAN ODABAŞI
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURDAN GÜZELBEYOĞLU
- Computational cost reduction of robust controllersfor active magnetic bearing systems
Başlık çevirisi yok
ALİCAN ŞAHİNKAYA
- Design and implementation of magnetic field sensors for biomedical applications
Biyomedikal uygulamaları için manyetik alan sensör tasarımı ve yapımı
ULAŞ CAN İNAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEVZAT G. GENÇER