Eş eksenli manyetik dişlilerin tasarımı, imalatı ve kanatçık tahrik sistemlerine uygulanması
Design, manufacturing, and application of coaxial magnetic gears on fin actuation systems
- Tez No: 927706
- Danışmanlar: PROF. DR. CENGİZ BAYKASOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Hitit Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 147
Özet
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.
Özet (Çeviri)
The necessity for innovative power transmission mechanisms that can satisfy the emerging demands across various domains, particularly in the aviation, space, and defense sectors, is escalating on a daily basis. In this context, as a power transmission element that can operate in oil-free and frictionless conditions, Magnetic Gears (MGs) have the potential to meet the needs arising in these areas. Research on this subject has gained momentum, especially in recent years. The scope of this thesis encompasses the design of coaxial MGs intended for utilisation in the power transmission mechanisms of Fin Actuation System (FAS). These designs have been formulated based on the findings of Electromagnetic Numerical Analysis (ENA), employing a two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) finite element modelling approach. The fabrication of designs that meet the performance criteria at the highest level has been undertaken, and the potential of MGs in terms of application has been demonstrated through experimental performance tests. In the development of MG designs that can provide the required transmission ratio and Volumetric Torque Density (VTD) values (5-5,5 and ~230 Nm/L) for the FAS application, the appropriate pole pair and number of segments were first determined by considering different combinations. In the following study, three distinct magnet array types, namely, Radial Array (RA), Halbach Array (HA), and Flux Concentration Halbach Array (FCHA), were considered. The objective was to determine the magnet array type with the highest potential to meet the desired performance targets. This was achieved by employing 2D and 3D ENA, with different geometrical parameters defined as variables. The ENA results demonstrated that the designs with the highest potential to meet the specified performance targets were FCHA MG. Furthermore, experimental results obtained from ENA have demonstrated that the performance of FCHA MG designs can be significantly enhanced by the selection of appropriate design and magnet level parameters. In the FCHA MG designs, two different MG versions using AISI 1018 and laminated electrical steel as Middle Rotor (MR) material were also considered, and the performances of these designs were compared in terms of VTD. The performances of the MG designs in the mechanical direction were revealed by the structural analyses performed. In order to demonstrate the experimental performance of the developed FCHA MG designs, the manufacturing and assembly of the components of the designs were carried out using different manufacturing approaches and specially developed auxiliary apparatus. The power transmission ratio, derived from the number of pole pairs and segments of the fabricated MGs, is obtained through experimental means using the test setup. The consistency of the findings with the numerical results is demonstrated. Experimental evidence has demonstrated that the power transmission ratios of the FCHA MG versions are within the range of 5,32-5,35, thereby validating the numerical analyses. Furthermore, an experimental investigation was conducted to compare the performance of the MG designs with that of the designed real-time loading system. Initially, the output torque values at which the two designs are pushed to their limits and enter the intrinsically safe state are obtained. Subsequently, the VTD values were measured experimentally for both designs. At this point, the VTD values were 221,66 Nm/L and 229,46 Nm/L for the first and second MG versions, respectively. Furthermore, experimental testing was conducted to obtain efficiency values for both designs, with variations in speed and torque loadings. In this context, efficiency values of up to 99,9% have been calculated at high output torque values. Subsequently, the developed MGs are integrated into a typical FAS mechanism, and their performance is investigated through experimental means. Subsequent to this, an analysis of the performance of the FAS designs with MG utilizing disparate MR versions was conducted using the real-time loading system. This analysis yielded experimental evidence that the targeted VTD value for the FAS was successfully achieved. As a result of the experimental tests performed with precision position encoders, magnetic torque spring constants were obtained. These findings were then compared with numerical results. The nonlinear behavior of the output position, when subjected to varying torque loads, has underscored the imperative for the development of control algorithms that are characterized by a distinct structural design. The results obtained within the scope of this thesis have revealed the advantages and disadvantages of MGs as a power transmission element with the potential to be used in FAS and similar applications, and the findings obtained in this context will guide the designers.
Benzer Tezler
- Sürekli metal dökümleri için döner manyetik karıştırıcı
Rotary magnetic stirrer for continuous metal castings
OSMAN GÜRDAL
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF.DR. DOĞAN ÇALIKOĞLU
- Full-duplex MRI for zero te imaging
Sıfır eko-zamanı görüntüleme için tam çift yönlü MRG kullanımı
MARYAM SALIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERGİN ATALAR
- Piezoelektrik seramiklerde elektrik ve manyetik alan etkisiyle tane yönlenmesi ve doku oluşumunun incelenmesi
The investigation of grain orientation and texture formation by the effect of electric and magnetic field in piezoelectric ceramics
MUSTAFA YUNUS KAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Metalurji MühendisliğiGebze Yüksek Teknoloji EnstitüsüMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDAT ALKOY
- Amorf ferromanyetik tellerde mıknatıslanma süreçleri
Magnetisation mechanism of amorphous ferromagnetic wires
MUZAFFER ERDOĞAN
Doktora
Türkçe
2008
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ORHAN KAMER
- An investigation into the factors affecting the performance of sub-microsecond high voltage impulse generators
Mikrosaniye altı yüksek gerilim üreticilerinin performansını etkileyen faktörlere ilişkin bir araştırma
MUHAMMAD FARRUKH ZIA
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOSTİM TEKNİK ÜNİVERSİTESİElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EDUGE MİRZAHAN HIZAL