Eksenel akılı girdap akımı freninde yarıklı rotor yapısının frenleme performansına etkisi
The impact of rotor slits on the braking performance of axial-flux eddy current brake systems
- Tez No: 945083
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 110
Özet
Girdap akımı frenleri, mekanik temas gerektirmeyen, düşük bakım gereksinimi olan, sessiz ve güvenilir çalışma özellikleriyle özellikle endüstriyel ve ulaşım uygulamalarında öne çıkan fren sistemleridir. Bu sistemler, sürtünme temelli fren mekanizmalarının neden olduğu mekanik aşınma, parça ömrü sınırlamaları ve bakım gereksinimlerine alternatif olarak geliştirilmiştir. Girdap akımı frenlerinin çalışma prensibi, Faraday'ın elektromanyetik indüksiyon yasası ve Lenz kanunu çerçevesinde tanımlanır. Sabit bir manyetik alan altında dönen iletken bir disk üzerinde oluşan girdap akımları, bu alanla etkileşime girerek harekete zıt yönde bir manyetik alan üretir. Bu etkileşim sonucunda diske etki eden bir frenleme momenti meydana gelir. Oluşan akımlar, aynı zamanda sistemde ısıl kayıplara yol açarak enerjinin bir kısmını ısıya dönüştürür. İstenmeyen bu çekirdek kayıpları, elektrik makinelerinde verim düşüşüne yol açsa da, uygun tasarım yaklaşımlarıyla bu olumsuzluk avantajlı bir duruma dönüştürülebilir. Frenleme süreci sırasında mekanik enerjinin elektriksel olarak değil, doğrudan ısıl enerjiye dönüşmesi söz konusudur; bu enerji, diskte sıcaklık artışı olarak açığa çıkar. Oluşturulan manyetik alanın karakteristiği, bobinlere ait parametreler olan kutup sayısı, sarım sayısı ve sargılardan geçen akım ile belirlenirken; frenleme momenti ve sistemin ısıl başarımı, ayrıca hava aralığı ile iletken diskin geometrik yapısı ve malzeme özelliklerine doğrudan bağlıdır. Bu çalışmada, eksenel akılı, çift taraflı uyartımlı ve alüminyum diskli bir girdap akımı freninin frenleme başarımı artırılmak üzere rotor yapısında yapılan geometrik değişikliklerin etkileri kapsamlı şekilde incelenmiştir. Bu amaçla, alüminyum disk üzerine farklı sayıda ve şekilde yarıklar açılmış; bu yarıkların frenleme momenti ve disk sıcaklığı üzerindeki etkileri hem elektromanyetik hem de ısıl açıdan değerlendirilmiştir. Dikdörtgen prizmatik ve silindirik formdaki yarıklar, farklı kalınlıklarda ve adetlerde modellenmiş, ayrıca bazı tasarımlarda yarıklara kaykı verilerek açısal yerleşimin frenleme üzerindeki etkisi analiz edilmiştir. Ek olarak, yarıklara çelik ve bakır gibi iletken malzemeler doldurularak dolgu materyalinin frenleme başarımına katkısı araştırılmıştır. Elektromanyetik ve termal analizler, 3 boyutlu çeyrek model üzerinde Sonlu Elemanlar Yöntemi (SEY) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Fren yapısının karmaşık geometrisi nedeniyle analitik çözüm yerine nümerik yaklaşımlar tercih edilmiştir. Parametrik optimizasyon süreciyle elde edilen tasarımlar, farklı yarık sayısı, şekli, dolgu malzemesi ve eğim parametreleri açısından karşılaştırılmış; elde edilen veriler ışığında literatürde yer almayan, başarımı artırılmış bir rotor yapısı önerilmiştir.
Özet (Çeviri)
Eddy Current Brakes are reliable braking systems that operate without mechanical contact, produce low noise, and minimize mechanical wear. These systems outperform conventional friction-based braking systems, especially in applications requiring reliability and long service life. Eddy Current Brakes consist of a rotating conductive disk and either permanent magnets or electromagnets that generate a magnetic field. When the conductive disk rotates within this magnetic field, eddy currents are induced in the disk, resulting in the generation of a braking torque. Eddy Current Brakes are used in linear applications to decelerate moving objects through the braking force generated. In rotational applications, this braking force is employed to load motors for testing purposes, with the motor connected to the rotating shaft of the brake. For systems utilizing permanent magnets, the air gap length is adjusted to control the magnetic field. In electromagnet-based systems, the excitation current can be varied to achieve control. Electromagnets are temporary magnets that generate a magnetic field when an electric current flows through them. They are typically constructed by winding conductive wire around a magnetically permeable core. The type of current passed through the conductor wire determines the magnetic field characteristics. When direct current flows through the windings, a constant magnetic field with a fixed magnitude and direction is generated. This field temporarily magnetizes the core material around which the winding is placed. Eddy Current Brakes operate based on two fundamental physical laws: Faraday's Law and Lenz's Law. According to Faraday's Law, when a conductive aluminum disk rotates within the constant magnetic field produced by electromagnets with direct current windings, eddy currents are induced in the disk due to changes in magnetic flux. These currents, called eddy currents, are circular in nature and close upon themselves. They form a magnetic field opposite to the main magnetic field, as described by Lenz's Law. The interaction between the main magnetic field and the field generated by the eddy currents produces the braking torque. For magnetic braking to occur, the disk must be subjected to a varying magnetic field. A key requirement is that the magnetic field at a specific point on the disk changes continuously over time, which induces eddy currents and generates braking force. The induced eddy currents cause core losses in electrical machines and magnetic circuits. While these losses typically reduce efficiency, design modifications can convert this negative effect into a functional advantage. During braking, the energy conversion manifests as thermal energy in the disk. Factors such as the number of poles, the number of windings, the current through the windings, the air gap, and the material and geometric properties of the conductive disk influence both braking torque and thermal performance. Another critical parameter is the penetration depth of the eddy currents. If the currents remain confined near the surface of the disk, the braking torque capacity diminishes due to increased electrical resistance. This can also lead to overheating of the disk. The frequency of magnetic field variation, which depends on the rotational speed of the disk, significantly affects the depth of eddy current penetration. Higher frequencies confine the eddy currents closer to the surface, reducing their magnitude. Even though there is extensive research in the literature on eddy current braking systems, many challenges still remain, particularly in electromagnetic, electrical, and mechanical domains. When these studies are examined, it can be seen that many mathematical expressions and analytical models have been attempted. However, these mathematical procedures and models are only valid for limited velocity ranges and often contain significant simplifications or omissions. The most well-regarded models are attributed to Smythe, Schieber, and Wauters. The models established so far do not provide completely accurate results because they contain many omissions, but they help understand physical phenomena and determine design parameters. Due to various commercial interests, detailed scientific information about eddy current brake systems is often omitted from academic publications. Four distinct operating regions are observed in Eddy Current Brake systems, based on rotational speed: •Zero Torque Region: At zero speed, no magnetic flux variation occurs, and therefore, no eddy currents or braking torque are generated. •Linear Torque Region: At low speeds, the braking torque increases linearly with speed, as the magnetic field induced by eddy currents is insignificant compared to the primary field. •Critical Speed Region: At this speed, the braking torque reaches its maximum. Beyond this point, the field generated by the eddy currents starts to oppose the main magnetic field, reducing the braking torque despite increasing speed. •High-Speed Region: At very high speeds, the air gap's magnetic field intensity diminishes, and the eddy currents nearly cancel the excitation magnetic field. As the speed approaches infinity, the braking torque approaches zero. In this study, a new rotor design is proposed to enhance the electromagnetic and thermal performance of a previously designed axial-flux, double-side-excited, aluminum rotor Eddy Current Brake. Radial slits were introduced into the aluminum rotor, and the geometry, shape, and dimensions of these slits were optimized to improve braking performance. Rectangular and circular slits were analyzed to evaluate the impact of slit dimensions, number, and orientation on braking torque and temperature distribution. Additionally, these slts were filled with steel and copper to create a hybrid rotor structure, and the effects on braking performance were assessed both electromagnetically and thermally. Eddy Current Brakes are complex systems involving mechanical, electrical, and magnetic phenomena, making analytical analysis in the time domain highly challenging. To reduce computational load during parametric optimization, the Finite Element Method (FEM) was employed. Due to the axial symmetry of the brake structure, all electromagnetic and thermal analyses were performed in 3D using only a quarter of the geometry. This study demonstrates the effects of rotor geometry
Benzer Tezler
- A new multidisciplinary design approach for a novel eddy current electromagnetic brake
Özgün bir elektromanyetik girdap akım freni için yeni bir çok disiplinli tasarım yaklaşımı
MEHMET GÜLEÇ
Doktora
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. METİN AYDIN
- Kalıcı mıknatıslı eksenel akılı girdap akımı freninin tasarım optimizasyonu
Design optimization of permanent-magnet axial-flux eddy current brakes
VOLKAN ATAMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. LEVENT OVACIK
- Design and meta-heuristic based optimization of axial-flux induction generator for variable speed wind turbines
Değişken hızlı rüzgâr türbinleri için eksenel akılı asenkron generatör tasarımı ve meta-sezgisel yöntemlerle optimizasyonu
BATI EREN ERGUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
- Mekanik dolaşım destek sistemleri için eksenel akılı motor tasarımı ve gerçeklenmesi
Axial flux motor design and implementation for mechanical circulation support systems
YİĞİT KARABULUT
Doktora
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEge ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERKAN MEŞE
- Transformatörlerde sargı sıcaklık dağılımı matematiksel modelinin sonlu elemanlar yöntemi ile oluşturulmasının esasları
Başlık çevirisi yok
SİNAN SÜRÜL
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURDAN GÜZELBEYOĞLU