Yay etkili elektromanyetik frenlerin doğrusal olmayan analitik yöntemler kullanılarak modellenmesi
Nonlinear analytical modeling of spring applied electromagnetic brakes
Yazar: İSMET BERKER YILMAZ
Danışman: PROF. DR. ERKAN MEŞE
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Bilgisayar destekli termal analiz = Computer aided thermal analysis ; Dinamik modelleme = Dynamic modelling ; Disk fren = Disk brake ; Elektromanyetik = Electromagnetic ; Elektromanyetik alanlar = Electromagnetic fields ; Ferromanyetik = Ferromagnetic ; Matematiksel modelleme = Mathematical modelling

Özet:
Bu tez çalışmasında yay etkili elektromanyetik frenlere (YE-EMF) ait genelleştirilmiş manyetik, dinamik ve termal modelleme yöntemleri önerilmiştir. Yapılan çözümlerde doğrusal olmayan hesaplama yöntemleri kullanılmıştır. Önerilen modele göre, tipik bir YE-EMF geometrisinin ön tasarım aşamasında performans analizi yapılabilmekte ve optimize edilebilmektedir. Tez kapsamında paylaşılan manyetik modelde, tek sargılı geometriye sahip herhangi bir YE-EMF için iterasyon gerektirmeden hava aralığına bağlı manyetik karakteristiğini çıkaran çözüm yöntemi önerilmiştir. Manyetik karakteristiğin çıkarılması ile frenin yay kuvveti ve manyetik kuvvet altındaki dinamik karakteristiğini inceleyen dinamik model oluşturulmuştur. Manyetik kuvvetin belirli bir fonksiyon olarak ifade edilememesi sebebiyle Newton hareket denklemleri ayık zamanda oluşturulmuştur. Bu model ile YE-EMF'nin herhangi bir gerilim profili altındaki manyetik kuvveti ve akım grafikleri çıkarılabilmektedir. Tez kapsamında paylaşılan bir başka önemli konu da elektromanyetik frenin termal olarak modellenmesidir. Frendeki farklı ısı transferleri için uygun termal ağ oluşturulmuştur. Bu termal modelde radyasyonun sıcaklıkla doğrusal olmayan ilişkisi dâhil edilerek daha doğru sonuçlar elde edilmiştir. Sunulan yöntemlere göre 15 Nm moment değerindeki bir fren tasarımı yapılmıştır. Yapılan modelleme yöntemleriyle elde edilen sonuçlar, 3 boyutlu sonlu elemanlar analizleri (SEA) ve deneysel ölçüm ile karşılaştırılmıştır. Yapılan karşılaştırmalarda büyük oranda uyumluluk sağlandığı görülmüştür.

Abstract:
In this thesis; generalized magnetic, dynamic and thermal modeling methods of spring applied electromagnetic brakes (SA-EMB) are proposed. Nonlinear solving methods were used in the calculations. By using the proposed model, performance analysis and optimizations of a typical SA-EMB geometry can be performed before the prototyping phase. In the magnetic model shared within the scope of the thesis, a solution method that obtains the air gap-dependent magnetic characteristic without any iteration is proposed for a SA-EMB with a single-winding geometry. After obtaining the magnetic characteristic, a dynamic model was created in order to examine the dynamic characteristics of the moving part under spring force and magnetic force. Since the magnetic force cannot be expressed as a particular function form, Newton's equations of motion were rearranged in discrete time. Magnetic force and current waveform of the brake under a voltage profile can be drawn. Another important topic shared within the thesis is the thermal modeling of the electromagnetic brake. A thermal network is formed including conduction, convection and radiation heat transfers in the brake. In this thermal model, more accurate results are obtained by including the nonlinear relationship of radiation with temperature. Using the presented model, a brake design with a static torque value of 15 Nm was made. The results obtained by the proposed models were compared with 3D finite element analysis (FEA) and experimental measurement. Comparison results are found to be in good agreement.