Elektromanyetik kavramaların tasarım parametrelerinin analitik ve nümerik yöntemlerle optimizasyonu
Optimization of design parameters of electromagnetic clutches by analytical and numerical methods
Yazar: MEMET ÖZDEMİR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SELİM HARTOMACIOĞLU
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Cevap yüzey yöntemi = Response surface methodology ; Elektromanyetik alanlar = Electromagnetic fields ; Kavrama = Clutch ; Tasarım parametreleri = Design parameters

Özet:
Bu çalışmada, elektromanyetik kavramanın tasarım ve analizi yapılacaktır. Elektromanyetik kavrama sistemleri paketleme makinaları, tel germe üniteleri, matbaa makinaları vb. birçok uygulama alanında vardır. Kavramın devreye girip çıkması geleneksel mekanik kavramalarda olduğu gibi mekanik bağlantıyla değil, elektromanyetik ilkesiyle gerçekleşir. Elektromanyetik kavramanın ana bileşenleri, bir bobin, bir armatür, rotor ve gövdedir. Armatür plakası sürtünme ile kaplanmıştır. Bobin rotorun arkasına yerleştirilmiştir. Kavrama devreye girdiğinde elektrik devresi bobine enerji verir ve manyetik bir alan oluşur. Kavramanın rotor kısmı mıknatıslanır. Manyetik alan rotor ve armatür arasında hava boşluğunu aştığında armatürü rotora doğru çeker. Temas yüzeyinde oluşan sürtünme kuvveti tork olarak aktarılır. Etkileşim süresi, manyetik alanların, ataletin ve hava boşluğunun gücüne bağlıdır. Bobinden voltaj kesildiğinde kontak
kesilir. Bu tip kavramalar mekanik bağlantı kesilir kesilmez sorunsuz ve hızlı bir şekilde çalışır. Bunun yanında elektromanyetik kavrama sistemleri akım ile tork kontrolü kabiliyeti sağladığı için tercih edilir. Ancak aktivasyon enerjisi bobinde ısı enerjisi olarak çözülür. Bu durum sorun yarabileceği için kavramanın maksimum sıcaklığı bobinin yalıtımı ile sınırlandırılır. Mekanik kavramaların uzun süren tepki sürelerinin üstesinden gelmek için önerilebilen elektromanyetik kavramanın çalışma prensibi ve avantajları göz önünde bulundurularak bu çalışma kapsamında da elektromanyetik kavrama sisteminin tasarım aşamaları ayrıntılı olarak gerçekleştirilecektir. Daha sonra kavrama
sisteminin güvenli çalışmasını sağlamak için gövde, rotor, armatür, flanş ve rotor elemanların elektromanyetik kavrama tasarım parametrelerinin optimizasyon çalışmaları sonlu elemanlar metodu ile yapılıp tasarım parametreleri tespit edilecektir. Deneysel tasarım metodu olarak kesirli deney tasarım metodu kullanılmıştır. Deneysel tasarım için kontrol edilebilen parametreler belirlendikten sonra seçilen parametreler ve belirlenen seviyeleri ile deneysel eşleştirme tablosu hazırlanmıştır. Bunun için Deney faktör ve seviyeleri tablosu kullanılmıştır. Sonrasında seçilen bu deney tablosuna göre simülasyonlar Ansys Maxwell yazılımı ile gerçekleştirilmiş ve sonuçlar elde edilmiştir. Elde edilen çekme
kuvvetlerinden sürtünme elemanının sürtünme katsayısı kullanılarak frenleme torkları hesaplanmıştır. Sonrasında Yanıt yüzeyi Metodu (RSM) kullanılarak tahmin modeli oluşturulmuş ve tam eşleştirme sonucuna göre 62 deney sonucu tahmin edilmiştir. Tahmin performansını tespit etmek için seçilen iki deney sonucu tekrar simülasyon yapılmış ve sonuçlar
kıyaslanmıştır. Elde edilen sonuçlar üzerinden ilk olarak maksimum tork değerini veren deneysel parametreler elde edilmiştir. Elde edilen bu parametreye göre bobin yeniden dizayn edilerek beklenen tork değerine göre hesap yapılmış ve bobin maliyetleri azaltılmıştır. Ayrıca her bir eşleştirme için ağırlıklar hesaplanmış ve aynı şekilde RSM metodu ile tahmin modeli hazırlanmış ve tam eşleştirme durumu için tahmin oluşturulmuştur. Çalışmada tork ve ürün ağırlığı üzerinden iki farklı optimizasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Yanıt yüzey metodu ile tahmin edilen 62 deney için öncelikle Solidworks'ta her parametrenin (gövde, rotor, armatür, bobin ve balatalar) hatasız bir şekilde dataları hazırlanmıştır. Hazırlanan datalar Ansys analiz programına alınarak SpaceClaim'de düzensiz yüzeyler, küçük yarıçaplar
temizlenerek data analiz için hazır hale getirilmiştir. Hazırlanan data Maxwell modülünde gerekli malzemeler tanımlandıktan sonra analiz edilmiştir. Analiz yapılırken başlangıçta elektromanyetik kavrama açıklamaları doğrultusunda, Maxwell denklemleri, manyetik devreler hesabında kullanılacak yöntemlere yer verilecektir. Bunu
yanında malzeme özellikleri, kullanılan alanlar incelenecektir. Sonuç olarak bu çalışma elektromanyetik kavramaların kullanımı hakkında daha sonra yapılacak çalışmalar için bilgilendirici ve yol gösterici bir kaynak olacaktır.

Abstract:
In this study, the design and analysis of the electromagnetic clutch will be made. Electromagnetic clutch systems are used in packaging machines, wire tensioning units, printing machines, etc. It has many application areas. Switching the concept in and out is not by mechanical connection, as in conventional mechanical clutches, but by the electromagnetic principle. The main components of the electromagnetic clutch are a coil, an armature, rotor, and housing. The armature plate is coated with friction. The coil is located behind the rotor. When the clutch is engaged, the electrical circuit energizes the coil and a magnetic field is created. The rotor part of the clutch is magnetized. When the magnetic field crosses the air gap between the rotor and armature, it pulls the armature towards the rotor. The frictional force on the contact surface is transmitted as torque. The interaction time depends on the strength of magnetic fields, inertia, and air gap. When the voltage is removed from the coil, the contact is cut. These types of couplings operate smoothly and quickly as soon as the mechanical link is broken. In addition, electromagnetic clutch systems are preferred because they provide torque control capability with the current. However, the activation energy is dissolved in the coil as heat energy. As this can be problematic, the maximum temperature of the clutch is limited by the insulation of the coil. Considering the working principle and advantages of the electromagnetic clutch, which can be recommended to overcome the long response times of mechanical clutches, the design stages of the electromagnetic clutch system will be carried out in detail within the scope of this study. Then, to ensure the safe operation of the clutch system, the optimization studies of the electromagnetic clutch design parameters of the rotor, armature, flange, and rotor elements will be carried out with the finite element method and the design parameters will be determined. The fractional experimental design method was used as the experimental design method. After determining the controllable parameters for the experimental design, an experimental matching table was prepared with the selected parameters and their determined levels. For this, the Experiment factor and levels table was used. Afterward, simulations were performed with Ansys Maxwell software according to this selected experimental table and the results were obtained. Braking torques were calculated by using the friction coefficient of the friction element from the obtained pulling forces. Afterward, a prediction model was created using the Response Surface Method (RSM) and 62 experimental results were estimated according to the exact matching result. To determine the estimation performance, the results of the two selected experiments were simulated again and the results were compared. Experimental parameters, which give the maximum torque value, were obtained from the results obtained. According to this parameter obtained, the coil was redesigned and the calculation was made according to the expected torque value and the coil costs were reduced. In addition, the weights were calculated for each match, the prediction model was prepared with the RSM method in the same way, and a prediction was made for the exact match situation. In the study, two different optimization processes were carried out over torque and product weight. For the 62 experiments estimated by the response surface method, first of all, data of each parameter (body, rotor, armature, coil, and pads) were prepared without error in Solidworks. The prepared data was taken into the Ansys analysis program, irregular surfaces and small radii were cleaned in SpaceClaim, and the data was made ready for analysis. The prepared data was analyzed after the necessary materials were defined in the Maxwell module.
The response surface method was used as the experimental design method. As the number of parameters and levels increases in experimental designs, the number of experiments to be done will increase. With the response surface method, the optimum result is obtained by making fewer experiments. In this thesis study, 7 parameters and 3 levels were determined. The experimental design was prepared using the Box-Behnken design sequence. 62 experiments were conducted with the Box-Behnken experimental design. If Box-Behnken did not use the experimental design, 3^7=2187 analyzes would have to be prepared. In this way, a significant advantage will be gained in time and development time.