Volan ve manyetik tren uygulamaları için süperiletken kaldırma sistemlerinin deneysel ve teorik incelenmesi
Experimental and theoretical investigation of superconducting levitation systems for flywheel and maglev train eapplications
Yazar: İRFAN YILDIZER
Danışman: PROF. DR. AHMET CANSIZ
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tezde süperiletken volan enerji depolama sistemleri için aktif kontrol gerektirmeyen süperiletken manyetik yatak tasarlanmış ve üretilmiştir. Süperiletken manyetik yatağın içerdiği volan (veya rotor) fiziksel bir kontak olmadan havada tutulmaktadır. Evershed tipi yatak olarak adlandırılan bu mekanizmanın çalışma prensibine göre rotorun kütlesi sadece sürekli mıknatıslar arası çekim kuvveti vasıtasıyla gerçekleşmektedir. Sürekli mıknatıslar arasındaki çekim kuvveti dengeden yoksun olduğu için volanın dengesi külçe süperiletkenlerle sürekli mıknatıslar arasındaki dengeli kuvvet vasıtasıyla sağlanmıştır. Süperiletkenlerdeki akı çivilenme özelliği sürekli mıknatısın manyetik akısını içinde hapsederek dengeli bir kuvvet sağlar. Böylece süperiletken manyetik yatak rotorun dengeli bir şekilde havada kalmasını sağlamış olur. Manyetik yataktaki tahrik mekanizması, yatağın rotoruna yerleştirilmiş bir iletken disk üzerinde girdap akım endüksiyonuna dayanmaktadır. Rotoru sıfır hızdan bir işletme hızına kadar ulaştıran veya istenildiğinde yavaşlatıp durduran bu mekanizma süperiletken manyetik yatağın sürüş sistemini oluşturmaktadır. Tasarlanan sürüş sistemi, rotora tork uygulayabildiği gibi kaldırma kuvveti sağlayarak da rotorun havada kalmasına yardımcı olmaktadır. Çekme ve kaldırma kuvvetleri, rotor konfigürasyonu ve iletken malzemesi gibi parametreler çeşitli koşullara göre tartışılmıştır. Bu kapsamda, süperiletken ve sürekli mıknatıs arasındaki kuvvet etkileşmesi donmuş görüntü modeliyle belirlenmiştir. 
Rotor üzerine etkiyen düşey ve yanal kuvvetler, süperiletkenlerin ve sürekli mıknatısların çeşitli şekil ve boyutlarına göre belirlenmiştir. Donmuş görüntü yöntemi ışığında sürekli mıknatıslar arasındaki etkileşim kuvvetini modellemek için Amper akım yaklaşımı kullanılmıştır. Hesaplamalar alan soğutmalı ve sıfır alan soğutmalı durumlara göre gerçekleştirilmiştir. Bu tezde son olarak manyetik trenler için düşünülen süperiletken MagLev sistemi donmuş görüntü yöntemi kapsamında incelenmiştir. Süperiletken Maglev sistemleri için havaya kaldırmanın en iyileştirilmesi (optimizasyonu), sistemin işletimi sırasında dikey ve kılavuz kuvvetlerin etkin kullanımını gerektirir. Eniyilenmiş mekanizma için çeşitli sürekli mıknatıs dizilişlerine göre kaldırma ve kılavuzlama kuvvetleri analiz edilmiştir. Sürekli mıknatıs dizilişleri en iyileştirilerek manyetik akı yoğunluğunu arttırmış ve dolayısıyla kaldırma kuvveti de yükselmiştir. Elde edilen sonuçlar daha karmaşık Maglev sistemi inşası için belirleyici niteliktedir.

Abstract:
In this thesis, superconducting magnetic bearing, which does not require active control, is designed and manufactured for superconducting flywheel energy storage systems. The flywheel (or rotor) contained in the superconducting magnetic bearing is held in the air without physical contact. According to the working principle of this mechanism (called Evershed type bearing), the mass of the rotor is realized only by the attractive force between the permanent magnets. Since the attractivie force between the permanent magnets suffer from equilibrium, the balance of the flywheel is achieved by the stable force between the superconductors and the permanent magnets. Flux pinning in superconductors provides a stable force by trapping the magnetic flux from the permanent magnet. The driving mechanism in the magnetic bearing is based on eddy current induction on a conductive disk placed in the rotor of the bearing. This mechanism, which moves the rotor from zero speed to an operating speed or slows down and stops it if desired, forms the driving system of the superconducting magnetic bearing. The designed drive system applies torque to the rotor as well as lifting force to keep the rotor in the air. Parameters such as levitating forces, rotor configuration and conductive material are discussed according to various conditions. In this context, the force interaction between superconducting and permanent magnet is determined by the frozen image model.
The vertical and lateral forces acting on the rotor are determined according to various shapes and sizes of superconductors and permanent magnets. Ampere current approach is used to model the interaction force between permanent magnets in the light of frozen image method. Calculations were made according to field-cooled and zero-field-cooled conditions. In addition to bearing analysis, the superconducting MagLev system which is thought for magnetic trains is examined within the scope of frozen image method. Optimization of the levitation for superconducting Maglev systems requires the effective use of vertical and guiding forces during system operation. For the optimized mechanism, lifting and guiding forces were analyzed according to various permanent magnet arrays. Permanent magnet arrays have been optimized to increase the magnetic flux density and hence the increased levitation force. The results obtained are decisive for the construction of the more complex Maglev system