Günümüzde tam anlamıyla mekatronik ürün nedir diye araĢtırma yapılırsa bu araĢtırma sonunda elde edilen ürünlerden bir tanesi Ģüphesiz aktif manyetik yataklar çıkacaktır. Aktif manyetik yatak diğer manyetik yatak çeĢidinden yani pasif manyetik yataktan en temel farklı rotor pozisyon bilgisinin sürekli olarak denetlenmesidir. Teknolojinin hızlı geliĢimi ve elektronik ürünlerin ucuzlamasıyla endüstride aktif manyetik yataklara olan ilgi artmıĢ ve araĢtırmalara sonucunda endüstrinin ihtiyaçlarına cevap verebilen aktif manyetik yatak uygulamaları artmıĢtır. Endüstride kullanılan aktif manyetik yataklar çoğunlukla güçlü elektromıknatısların rotora büyük kuvvet etki etmesini sağlamaktadır. Elektromıknatıslar tarafından oluĢturulan kuvvet her zaman sistemi dengesiz bir duruma sokmakta ve sistemin dengelenmesi ihtiyaç haline gelmektedir.
Aktif manyetik yatakların çalıĢma prensibini anlamak için ilk baĢta manyetik yatakların temelini oluĢturan manyetik süspansiyon sistemini anlamak gerekir. Manyetik süspansiyon sistemi manyetik yataklara nazaran daha az hassas ve bu sayede kontrolü kolay, tek eksen çalıĢma uzayına sahip bir sistemdir. Manyetik süspansiyon bileĢenleri ile manyetik yatak bileĢenleri yaklaĢık olarak aynıdır.
Manyetik süspansiyon sisteminin bileĢenleri ve çalıĢma prensibi ġekil 2.14’de verilmiĢtir.
ġekil 2.14. Manyetik süspansiyon sistemi çalıĢma prensibi
Manyetik süspansiyon sisteminde ferromanyetik malzemeden üretilmiĢ bir rotor elektromıknatısların ürettiği yerçekimi kuvvetine aksi yönde bir kuvvete maruz kalır. Levitasyon olayı sırasında sensör rotorun deplasmanını ölçer ve bu bilgiyi kontrolöre gönderir. Kontrolör ise rotor pozisyonunu referans pozisyon ile karĢılaĢtırarak referans pozisyona gelebilmesi için gerekli kuvvet değerini sağlaması için gerekli akım bilgisini güç yükselticisine gönderir ve güç yükselticisinden çıkan akım elektromıknatısa iletilir. Bu sayede rotor her zaman referans pozisyona gelmek için elektromıknatıslar tarafından farklı bir kuvvete maruz kalır. Rotora etkiyen bileĢke kuvvet Denklem (2.4)’deki gibi ifade edilir.
m
f f mg (2.4)
Denklem (2.4)’de f rotora etkiyen bileĢke kuvveti, fm elektromıknatısın rotora
uyguladığı kuvvetini ve mg ise rotorun ağırlığını ifade eder. ġekil 2.15’de rotoru etkiyen bileĢke kuvvetler ve akım-kuvvet iliĢkisi gösterilmiĢtir.
ġekil 2.15. Rotora etkiyen bileĢke kuvvet ve akım-kuvvet iliĢkisi
ġekil 2.15’de rotora etkiyen bileĢke kuvvet ve akım-kuvvet iliĢkisi gösterilmektedir. BileĢke kuvvetin her zaman sıfır olması istenir fakat gerçekte hiçbir zaman sıfır bileĢke kuvvet elde edilemez. Yani referans pozisyon ve rotorun pozisyonunun hatası her zaman vardır fakat çoğu sistemde bu deplasman farklı insan gözünün görebileceği Ģekilde hissedilemez. Mesela rotorun referans pozisyona gelmesi için kontrolör tarafından elektromıknatıslara belirli bir akım gönderilir ve bu akım doğrultusunda rotora etkiyen kuvvet artar ve rotor elektromıknatıslara doğru yaklaĢır. Bu değiĢim nedeniyle stator ile rotor arasındaki hava aralığı azalır ve kuvvet daha artar ve artmaya devam eder. Bu kuvvet artması ise rotor pozisyonun tekrardan referans pozisyonunu geçmesine neden olur. Bu seferde kontrolör tarafından uygulanan akım değeri azaltılır ve rotora etkiyen kuvvet azalır. Bu sayede rotor deplasmanı tekrardan büyür ve hava aralığının artmasıyla tekrardan kuvvet azalır. Rotorun referans pozisyona getirilmesi bu Ģekilde devam eder. Her zaman referans pozisyon ile rotor deplasmanı arasında bir hata mevcuttur.
ġekil 2.15’de ayrıca manyetik süspansiyon sisteminin akım-kuvvet iliĢkisi verilmiĢtir. Kuvvet akım iliĢkisi süspansiyon sisteminin limitlerini ve doğrusal çalıĢma bölgesini veren bir iliĢkidir. Stator bobin akımı artıkça ferromanyetik malzeme doyuma ulaĢacak ve doyuma ulaĢan malzeme yüksek akım değerlerinde bile aynı kuvvet etki edecektir. Bu sebepten dolayı bu tür sistemlerin tasarımı yapılırken fiziksel özelliklere göre kuvvet akım grafikleri çıkartılarak elektromıknatıslardan elde edilebilecek doğrusal bölgede maksimum kuvvet değerleri hesaplanır. Bu kuvvet değerleri tabi ki de stator ve rotor arasındaki hava
aralığına, elektromıknatısları oluĢturan bobinlerin sarım sayılarına, kesit alanlarına ve akıma göre değiĢiklik gösterir. Aynı kuvvet değerini veren birçok sistem tasarımı yapılabilmektedir.
Aktif manyetik yatağın çalıĢma prensibi tek eksen manyetik süspansiyon sisteminin çalıĢmasıyla mantık olarak aynıdır. Aktif manyetik yatağın tasarımına dayalı olarak rotorun x, y ve z eksenlerinde istenilen yönlerde arzu edilen pozisyonda kalması sağlanabilir. Klasik aktif manyetik yatağın blok diyagramı ġekil 2.16’da verilmiĢtir.
ġekil 2.16. Aktif manyetik yatağın blok diyagramı
ġekil 2.16’da heteropolar aktif manyetik yatağa blok diyagramı verilmiĢtir. ġekildeki stator tasarımını referans alınırsa 4 adet elektromıknatıs çifti rotoru x ve y eksenlerinde dengede tutmaya çalıĢırlar. Her eksen elektromıknatısları birbirlerine seri bağlıdır fakat zıt kutupları oluĢturmak için bobinler birbirlerine göre ters sarımlıdır. Sensörler genellikle stator diĢlerinin iç çapları ile aynı mesafeye konulur ve rotorun statora olan uzaklığını milimetrenin yüzde biri hassasiyete kadar ölçebilirler. Sensörlerden alınan pozisyon bilgileri ıĢığında referans rotor pozisyonu ile karĢılaĢtırılarak kontrolöre hata bilgisi gönderilir. Hataya göre kontrolör rotorun referans pozisyona gelebilmesi için y eksenlerindeki elektromıknatıslara gerekli akımı sağlar. Aynı çalıĢma mantığı rotorun x ekseninde dengelenmesi içinde yapılmaktadır. Rotorun statora olan deplasmanını ölçen sensör yardımıyla rotor pozisyon bilgisi referans bilgiyle karĢılaĢtırılıp bir hata sinyali oluĢmaktadır. Kontrolöre gelen bu hata sinyali ile elektromıknatıslara gönderilecek akım kontrolör
tarafından ayarlanır. Benzer mantıkta çalıĢma eksenel aktif manyetik yatak içinde geçerlidir. ġekil 2.17’de bir elektrik motoruna ait radyal ve eksenel aktif manyetik yatakların uygulanmasının Ģematik gösterimi verilmiĢtir [33].
ġekil 2.17. Elektrik motoruna ait aktif manyetik yatak blok diyagramı
ġekil 2.17’de gösterilen blok diyagramında iki tane radyal yatak ve bir tane eksenel yatak bulunmaktadır. Rotor ekseni boyunca iki tane radyal yatak rotoru x-y ekseni boyunca, eksenel manyetik yatak ise rotoru z ekseni boyunca istenilen pozisyonda dengede tutmaya çalıĢır. Elektrik motoru rotor ve mili döndürmekte manyetik yataklarda dengelemektedir. Manyetik yatak uygulamalarında genellikle iki tane radyal manyetik yatak kullanılır. Milin uzunluğuna göre manyetik yatak sayıları artabilir. Günümüzün geliĢmiĢ uygulamalarıyla manyetik yataklar hem motor görevi hem de manyetik yataklamayı sağlamaktadır. Bu sayede hem motor hem de yataklama görevi tek bir manyetik yatak yapabilmektedir. Bu tür manyetik yatakların rotorları yüzeyden veya dâhili sürekli mıknatıslı bileĢenlerden oluĢur ve stator oluklarında kendi tasarımına has bir sarım prensibi vardır. Bu tür manyetik yataklara yataksız veya kendinden yataklı motorlar denir. Ayrıca 3 eksen manyetik yataklamayı sağlayan konik yapılı manyetik yataklarda mevcuttur. Dönen sistemlerde eğer 3 eksende yataklama sağlamak gerekiyorsa alternatif olarak konik manyetik yataklar kullanılabilmektedir. ġekil 2.17’deki sistemde 3 adet manyetik
yatak kullanılarak yataklama sağlanmıĢtır. Fakat fiziksel açıdan daha küçük olan yerlerde ise alternatif yataklar kullanılarak aynı Ģekilde yataklanma sağlanmaktadır. ġekil 2.18’de bu tip bir yapı gösterilmiĢtir.
ġekil 2.18. Konik manyetik yatak blok diyagramı
ġekil 2.18’de üç eksen yataklama sadece tek bir manyetik tasarım ile yapılmıĢtır. Sistemde kullanılan elektronik bileĢenler ġekil 2.17’deki sisteme göre azaltılmıĢ ve daha basit bir yapı ile aynı çalıĢma sistemi kurulmuĢtur. Ayrıca daha küçük paket boyları ve fiziksel özellikler için yapılabilecek bir tasarım mümkün hale gelmiĢtir.