Süper iletken manyetik yatakların analizi ve modellenmesi
Analysis and modeling of superconducting magnetic bearings
Yazar: YUSUF ÇINAR
Danışman: DOÇ. DR. SELİM SİVRİOĞLU
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2007
Konu: Enerji = Energy ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Süperiletkenler, direnç kaybetmeksizin elektriği ileten malzemelerdir. Ayrıcasüperiletkenler, içerisinden manyetik alanı dışlama eğiliminde oldukları içinmıknatısları levite edebilirler.Bu çalışmada mühendislik uygulamalarında kullanılan iki tür süperiletkenmanyetik yatak, donmuş görüntü yaklaşımı kullanılarak analiz edilmiş vemodellenmiştir. Süperiletkenlik uygulamaları arasında en geniş kullanımalanlarından biri, süperiletken manyetik yataklardır. Bu yataklar, aktif kontrolgerektirmedikleri ve çok düşük sürtünmeye sahip oldukları için volanlar gibi hemenhemen bütün makinelerde kullanılabilirler.Birinci bölümde süperiletkenliğin genel bir tanımı ve düşük sıcaklıktaelektriği taşırken neden direnç göstermediği kısaca açıklanmıştır. Manyetikyatakların uygulamadaki avantaj ve dezavantajlarına değinilmiştir.İkinci bölümde süperiletkenlik teorisinin ve buna bağlı süperiletkenlikuygulamalarının tarihsel gelişimi anlatılmıştır.Üçüncü bölümde süperiletkenler sınıflandırılmış ve I. ve II. Tür bazısüperiletkenler ve özellikleri verilmiştir.Dördüncü bölümde mühendislik uygulamaları için önemli olansüperiletkenliğin bazı temel özellikleri genel olarak açıklanmıştır.Manyetik alan içinde veya manyetik alansız soğutulduğunda yüksek sıcaklıksüperiletkenlerinin (YSS) diyamanyetik davranış özellikleri ve farkları beşincibölümde irdelenmiştir.vSüperiletken manyetik yataklar altıncı bölümde anlatılmıştır. Eksenel veradyal manyetik yataklar ve daha stabil hibrit yataklar üzerinde durulmuştur. Bubölümde levitasyon kuvveti, levitasyon kuvvetini etkileyen faktörler, mükemmeliletken ve mükemmel diyamanyetik, histerisiz ve kuvvet azalması gibisüperiletkenlik alanında sıkça kullanılan kavramlar anlatılmıştır.Süperiletken levitasyon sistemlerini uygulamadan önce modellemekgereklidir. Yedinci bölümde süperiletken manyetik levitasyon sistemlerinimodellemek için kullanılan kritik durum ve donmuş görüntü kavramları sunulmuştur.Sekizinci bölümde iki tür süperiletken manyetik yatak, donmuş görüntükavramına göre modellenmiştir. Bu yataklardan biri, bir Yüksek SıcaklıkSüperiletken (YSS) üzerinde levite edilen Kalıcı Mıknatıstan (KM) oluşturulan birsistemin modelidir. Diğer yatak ise silindir halka şeklindeki YSS ve bir KMarasındaki etkileşim modelinden oluşturulmuştur. Halka YSS içerisindeki KM'ninlevitasyon konfigürasyonu birçok makine sisteminde bulunan radyal tip yatağabenzemektedir. KM-YSS yatağın dinamik davranışı, levitasyonun katılığına bağlıdır.Amaçlanan bu konfigürasyon için donmuş görüntü kavramından elde edilenmanyetik potansiyel ile katılık hesaplanmıştır. Açısal ve öteleme hareketleri içinkatılık değişimleri analiz edilmiştir.Dokuzuncu bölümde bir önceki bölümde elde edilen potansiyel enerjilerdenLagrange fonksiyonu kullanılarak yatay, dikey, meyil, yalpalama ve dönme açılarıiçin hareket denklemleri çıkartılmıştır.Onuncu ve son bölümde bu araştırmaların sonuçları ve bu konuda çalışmakisteyen kişiler için öneriler verilmiştir.Anahtar Kelimeler: Süperiletken manyetik yataklar, donmuş görüntümodeli, manyetik levitasyon, süperiletkenliğin özellikleri.

Abstract:
Superconductors are materials that conduct the electricity without resistance.Superconductors can also levitate magnets to tend to exclude magnetic fields fromtheir interiors.In this study, two types of superconducting magnetic bearings used inengineering applications are analyzed and modeled using frozen image concept. Oneof the widest using fields among superconductivity applications is superconductingmagnetic bearings. These bearings can be used in nearly all machines such asflywheels not to need active magnetic control and to have extremely low friction.In first section, a general description of superconductivity and whysuperconductors carry electricity without resistance at low temperatures are brieflyexplained. Advantages and disadvantages of superconducting magnetic bearings inapplications are mentioned.In second section, historical developments of theory of superconductivity andprogress of applications of superconductivity depending upon these developmentsare told.In third section, superconductors are categorized and some of type I and IIsuperconductors and their properties are given.In fourth section, some of main characteristics of superconductors, soimportant for engineering applications, are generally expressed.Diamagnetic behavior properties and difference of high temperaturesuperconductors (HTSs) are investigated when they are cooled in a magnetic fieldvii(Field Cooling - FC) or without any magnetic field (Zero Field Cooling - ZFC) infifth section.Superconducting magnetic bearings are described in sixth section. Axial andradial magnetic bearings and the more stable hybrid bearings are dwelled on.Concepts frequently used in superconductivity fields such as levitation force, factorsinfluencing levitation force, perfect conductor and perfect diamagnet, hysteresis, andforce creep are depicted in this section.It is necessary that superconducting levitation systems are modeled beforeputting into practice. In seventh section, critical state model and frozen imageconcepts using to model magnetic levitation systems are represented.In eighth section, two types of superconducting magnetic bearings areanalyzed and modeled using frozen image concept. One of these bearing is a modelof system consisting of a Permanent Magnet (PM) levitated over a HTS. The other isformed from a model of the interaction between a ring shaped HTS and a PM. Thelevitation configuration of a ring permanent magnet inside a ring HTS resembles theradial type bearings found in many machine systems. The dynamical behaviour ofthe PM?HTS bearing mostly depends on the stiffness of the levitation. For theproposed PM?HTS configuration, the stiffness is computed on the basis of amagnetic potential obtained with a frozen image concept. The variation of thestiffness is analyzed for angular and translational movements.In ninth section, equations of motion for lateral, vertical, tilt, precision, androtating angles are extracted from potential energies obtained in the previous sectionusing Lagrange function.In tenth and last section, the result of these researches and the advices forthose who want to study on this topic are given.Keywords: Superconducting magnetic bearings, frozen image model,magnetic levitation, properties of superconductivity.