T.C.

KARADENĠZ TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ

MÜHENDĠSLĠK FAKÜLTESĠ

ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ

LĠNEER ASENKRON MOTOR KONTROLLÜ

SÜPERĠLETKENLĠ TREN UYGULAMASI

BĠTĠRME ÇALIġMASI

SEDAT ÖZDEVECĠ N.RECEP DAVRAN

179997 179977

2011

BAHAR DÖNEMĠ

T.C.

KARADENĠZ TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ

MÜHENDĠSLĠK FAKÜLTESĠ

ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ BÖLÜMÜ

LĠNEER ASENKRON MOTOR KONTROLLÜ

SÜPERĠLETKENLĠ TREN UYGULAMASI

BĠTĠRME ÇALIġMASI

SEDAT ÖZDEVECĠ N.RECEP DAVRAN

179997 179977

YRD.DOÇ.DR. HALĠL ĠBRAHĠM OKUMUġ

2011

BAHAR DÖNEMĠ

II

ÖNSÖZ

Bu çalışmada, süper iletkenli tren sistemi uygulamasının lineer asenkron motor ile

kontrolü incelenmiştir.

Deneysel çalışmalar, Kardeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik-

Elektronik Mühendisliği Elektrik Ölçme Laboratuarı ve Fen-Edebiyat Fakültesi Fizik

Bölümü Düşük Sıcaklık Laboratuarında yapılmıştır.

Tez çalışmamızın her aşamasında bizden yardımlarını esirgemeyen danışmanımız Sayın

Yrd. Doç. Dr. Halil İbrahim Okumuş’a en içten dileklerimizle teşekkür ederiz.

Tez çalışmamız süresince bizden değerli görüş ve bilgileri bizimle paylaşan değerli

Fizik Bölümü Bölüm Başkanı Sayın Prof. Ekrem Yanmaz’a teşekkür ederiz. Ayrıca bu

çalışmamızda bizlere yardımcı olan Arş.Gör. Emre Özkop, Tek. Yüksel Salman ve Tiryaki

Bobinaj’a teşekkür ederiz.

Sedat ÖZDEVECİ

N. Recep DAVRAN

2011 TRABZON

III

ĠÇĠNDEKĠLER

Sayfa No

ÖNSÖZ…………………………………………………………………………................ II

İÇİNDEKİLER....................................................................................................................III

ÖZET…... ........................................................................................................................... IV

ŞEKİLLER DİZİNİ ............................................................................................................ V

TABLOLAR DİZİNİ...........................................................................................................VI

SEMBOLLER DİZİNİ ......................................................................................................VII

1.Giriş.................................................................................................................................... 1

1.1.Lineer Asenkron Motorun Tanımı.................................................................................2

1.2. Lineer Asenkron Motor Sınıflandırması…………….………………………………....2

1.3. Lineer Asenkron Motorun Yapısı……………………………………………………...6

1.4. DHAM’larda Sarım Türleri…………………………………………………………….7

1.5. Lineer Asenkron Motorların Uygulama Alanları………………………………….…...9

1.6.DHAM İçin Temel Bağlantılar………………………………………………………..10

1.7. Süperiletkenlerin Temel Özellikleri……………………………………………….….14

1.7.1. Sıfır Direnç……………………………………………………………………..…...14

1.7.2 Kritik Sıcaklık (Tc) ………………………………………………………….……...15

1.7.3. Nüfuz Derinliği……………………………………………………………..……….15

1.7.4. Uyum (Koherens) Uzunluğu………………………………………………………..16

1.7.5. Termodinamik Kritik Alan (Hc) ……………………………………………………16

1.8. Tersinir ve Tersinmez Süperiletkenler …………………………………….…………16

1.9. Süperiletkenlerin Manyetik Kaldırma Kuvveti Özellikleri …………………………..17

2. YAPILAN ÇALIŞMALAR……………………………………………………………18

2.1. Lineer Asenkron Motora Ait Teknik Veriler………………...…………...………......18

2.2. Oluşturulan Lineer Asenkron Motora Ait Görüntüler………………………..……....19

2.3.Süper İletken Ve Mıknatıslara Ait Veriler………………..…………………..……….23

3. SONUÇ VE ÖNERİLER………………………………………….................................26

4. KAYNAKLAR………………………………………………………………………….27

IV

ÖZET

Bu tez çalışmasında Süper İletkenli Tren Uygulamasının Lineer Asenkron Motor İle

kontrolü gerçekleştirilmiştir.

Birinci bölümde Lineer Asenkron Motorun yapısı, kullanım yerleri, sınıflandırılması ve

matematiksel modellenmesi hakkında bilgi verilmiştir. Ayrıca süperiletkenler hakkında

detaylı bilgi verilmiştir. Süperiletkenin yapısı ve temel özelliklerine değinilmiştir.

İkinci bölümde yapılan çalışmalar ve bulgular toplanarak tez konusu olan sistem

oluşturulmuştur. Yapılan çalışmalar görsel olarak resimlerle desteklenmiştir.

Projemiz daha önce model olarak uygulanmamış bir projedir. Süper iletkenli trenin,

Lineer Asenkron Motorun sargılarının yerini değiştirerek frenlenmesi ve sargılardaki

gerilimi artırıp azaltarak hızının ayarlanması amacı ile gerçekleştirilen bir projedir.

V

ġEKĠLLER DĠZĠNĠ

Sayfa no

Şekil 1. Kısa primerli LAM……………………………………………………….…3

Şekil 2. Kısa sekonderli LAM…………………………………………………….….3

Şekil 3. Tüp tipi lineer asenkron motor……………………………………………....4

Şekil 4. DHAM’ların sınıflandırılması[2]………………………………………….....5

Şekil 5. Normal bir motordan lineer motor elde etmek için kesme işlemi……….…..6

Şekil 6. ÇYDHAM ile TYDHAM’un elde edilişi[3]…………………………….…..6

Şekil 7. Doğrusal Hareketli Asenkron MotorunYapısı[4]…………………………...7

Şekil 8. Kutup sayısı çift olan tek tabakalı sargı……………………………………..8

Şekil 9. Kutup sayısı çift olan üç tabakalı sargı……………………………………...8

Şekil 10. Kutup sayısı tek olan ve son olukları yarım dolu olan iki tabakalı sargı…..9

Şekil 11. Primeri oluşturulan E tipi trafo sacı ölçüleri……………………………....18

Şekil 12. E tipi trafo saç…………………………………………………………..…20

Şekil 13. 0.5mm kesitli bobin teli…………………………………………………....21

Şekil 14. Bobin telinin E tipi trafo sacına yerleştirilmiş hali………………………..21

Şekil 15. Statorun üstten görünümü…………………………………………………22

Şekil 16. Statorun önden görünümü………………………………………………....22

Şekil 17. NdFeB mıknatısın boyutları……………………………………………….23

Şekil 18. Kullanılan süperiletken…………………………………………………….23

Şekil 19. Kullanılan neodyum mıknatıslar…………………………………………..24

Şekil 20. Süperiletkeni soğuturken…………………………………………………..24

Şekil 21. Süperiletkenin aliminyum folyöye sarılmış hali…………………………...25

Şekil 22. Süperiletkenin mıknatıs üzerinde havada hareketi…………………..….....25

VI

SEMBOLLER DĠZĠNĠ

p Kutup sayısı

V Hız

τ Primer sargı kutup arası açıklık

N Sarım sayısı

Pm Mekanik güç

Fx Lineer itme kuvveti

F Elektro manyetik kuvvet

E1 Primer sargılarda endüklenen gerilim

ü Dönüşüm oranı

i Primer emf form faktörü

Vs Senkron doğrusal hız

kw1 Primer sarım faktörü

Hava aralığı(mm)

φ Ana akı

αi Ortalama akı yoğunluğu

Bmz Harmoniğin tepe değeri

kw2 Sekonder sarım faktörü

Primere indirgenmiş sekonder akımı

Primere indirgenmiş sekonder empedansı

Pg Giriş gücü

Pç Çıkış gücü

η Verim

F Öteleme kuvveti

λ Halkalama akısı (Wb)

ω Açısal frekans(rad / s)

f Frekans(hz)

J Akım yoğunluğu

B Manyetik indüksiyon (T)

s Kayma

m Faz sayısı

1

1.GĠRĠġ

Lineer hareketli makinelerle ilgili ilk kaynaklar 1890’lı yıllarda görülmeye başlandı ve

dokuma tezgahlarında mekiğin lineer hareketli indüksiyon motoru ile sürülmesi önerildi.

1900-1940 yılları arasında lineer hareketli makinelerin tekstil sanayisindeki uygulamaları

yaygınlaştı. 1905’li yıllarda ise lineer hareketli makinelerin demiryolunda çekici olarak

kullanılması için öneriler yapılmıştır. Kayıtlı ilk tubular tip lineer hareketli doğru akım

relüktans motoru 1917’de yapıldı ve roket fırlatmada kullanımı önerildi. 1923’te

Newyork’da iki istasyon arasında çalışan bir trenin sürülmesi için tek yanlı bir lineer

hareketli indüksiyon motoru kullanıldı. Elektriksel iletkenliği yüksek, sıvı haldeki

metallerin pompalanmasında, bu sıvılar sekonderini oluşturacak şekilde, lineer hareketli

makineler geliştirildi. 1962 yılında Rusya’da çelik üretim tesislerinde böyle bir uygulama

yapıldı. Gerçek anlamda geniş çaplı bir uygulama Westinghouse firması tarafından 1946

yılında uçak fırlatma amacıyla yapıldı. Bu uygulamada hareketli bir primer ve sekonderi

sargılı ve tek yanlı bir lineer hareketli indüksiyon makinesi kullanıldı. Motor yapısı döner

hareketli makinelerden bilezikli asenkron makinenin yapısına benzemekteydi. Motor

10.000 Hp gücüne, 100 m/s (360 km/saat) hızına sahipti. 5 tonluk duran bir uçağı 4,2

saniyede 160 metrelik bir mesafede 50 m/s.’lik bir hıza çıkarabiliyordu. 1954’lü yıllarda

uçak geliştirme çalışmalarında, uçak dururken rüzgar oluşturma yerine uçak modelini

yüksek hızla hareket ettirme tercihi ile, rüzgar tüneline alternatif olarak kullanıldı. Bu

uygulamada Royal Aircraft Estabilishment Şirketi tarafından yüksek hızlı lineer hareketli

doğru akım motoru (DHDAM) kullanıldı. 1960’lı yıllardan sonra lineer hareketli

makinelerin uygulamaları hızla gelişti. Çok hızlı trenlerin sürülmesinden manyetik

yastıklara kadar çok sayıda uygulama alanı buldu.[1,6]

Bu tezin amacı, lineer asenkron motor yardımıyla süper iletkenli tren yapmaktır. Bu

amaçla önce lineer asenkron motorun yapısal özellikleri, çeşitleri, daha sonra süper

iletkenlerin genel yapısı ve özellikleri ele alınmıştır.

2

2

1.1. Lineer Asenkron Motorun Tanımı

Lineer asenkron motor tamamen kısa devre kafesli rotorlu asenkron motor prensibine

dayanmaktadır. Yarıçapı sonsuz olan normal bir asenkron motordan elde edilmiştir.

Normal asenkron motor dönerek elektrik enerjisini mekanik enerjiye çevirirken,

lineermotor bu görevi öteleme hareketi ile doğrusal olarak yapar.

1.2. Lineer Asenkron Motor Sınıflandırması

Lineer motorlar komütasyonun sağlanmasına göre fırçalı fırçasız, şekline göre; U

kanal, yassı veya tüp şeklinde, çekirdeğin tipine göre demir çekirdekli, hava çekirdekli

ve slotsuz olarak sınıflandırılabilir.

Lineer asenkron motorlar primer ve sekonderin hangisinin kısa olduğuna bakılarak

ya kısa primerli lineer asenkron motor veya kısa sekonderli lineer asenkron motor

olarak adlandırılır.

Bazı lineer asenkron motorlarda biri hareket doğrultusunda ve diğeri hareket

doğrultusuna dik olmak üzere iki kuvvet meydana gelmektedir. Dik kuvvet primer ve

sekonder arasında ya itme ya da çekme kuvveti şeklindedir. Meydana gelen dik kuvvet

primerin üzerinde sekonderi havaya kaldırılmasını sağlıyorsa, bu tür makinalar lavitasyon

makinası olarak adlandırılır. Diğer taraftan sadece öteleme kuvveti üreten makinalara

lineer motor denilmektedir.

Lineer motorların en yaygın olanı çok fazlı olanlarıdır. Çok fazlı LAM ‘ lar da ki

hava aralığı manyetik alanı hareketli bir manyetik alandır. Bir lineer asenkron motorun

hava aralığı alanı, döner hareketli ve çok fazlı asenkron motorlarınkinden farklı olarak

genellikle ileri yönde bir bileşen, geri yönde bir bileşen ve manyetik devrenin

süreksizliğinden dolayı titreşimli bir bileşen olmak üzere üç bileşene sahiptir. Ancak,

ileri yön bileşeni en etkin bileşen olarak sekonderde indüklenen akımlarla etkileşmesi

sonucu faydalı kuvvet oluşmasına neden olmaktadır. Ayrıca döner hareketli

motorlardan farklı olarak LAM lar sekonderi sabit primeri hareketli ya da primeri sabit

sekonderi hareketli olabilir.

Primer ve sokonder arasındaki uzunluk farkına bağlı olarak Şekil 1 de görüldüğü

gibi bir LAM kısa primerli veya Şekil 2 de görüldüğü gibi kısa sekonderli olabilir.

Ayrıca Şekil 3 de ki çift yanlı bir LAM oluşturmak için karşı karşıya duran iki primer

gerekmektedir. Şekil 2 deki gibi eğer LAM ‘ ın tek bir primeri varsa buna tek yanlı

LAM denir.

3

3

Şekil 1. Kısa primerli LAM

Şekil 2. Kısa sekonderli LAM

Bir LAM ‘ ın sekonderi bazen ferromanyetik bir malzeme olan demirle (arka demiri)

alüminyum veya bakır gibi bir tabakanın yan yana getirilmesi ile oluşturulur. Ayrıca

sekonder bilinen kafes türlerinden de olmaktadır. Ancak sargılı tip hemen hemen hiç

kullanılmamaktadır.

Döner motorlarda olduğu gibi bir lineer asenkron motoru üç fazlı, iki fazlı veya tek

fazlı yapılabilir. Tek fazlı bir LAM ‘ ın kalkış mekanizması, döner hareketli tek fazlı

asenkron motorda olduğu gibidir. Bu bakımdan, tek fazlı bir LAM gölge kutuplu veya

kondansatör de içeren yardımcı bir sargıya sahip olabilmektedir.

4

4

Şekil 3. Tüp tipi lineer asenkron motor

Şekil 4.’de topolojik açıdan DHAM’larla ilgili bir sınıflandırma şeması verilmektedir.[2]

LAM‘lar döner asenkron motorların kesilmesi açılması ve daha sonra düzlemsel hale

getirilmesi sonucu elde edildikleri için düzlemsel LAM adını almaktadır. Kutup adımı

lineer motorun genişliği ile karşılaştırıldığında büyük ise primer sargının omik direnci ve

kaçak reaktansı uzun sargı uçlarından dolayı artar; etkin sargı uç direncide artar. Bundan

dolayı motor doğal olarak verimsiz olacaktır. Bazı uygulamalar için lineer motorun enine

yönde tekrar yuvarlanması ile ilginç bir topoloji geliştirilebilir.. Böyle bir motor tüp tipi

lineer asenkron motor olarak adlandırılır. Şimdi primer sargılarının sürekliliğinin

sürdürülmesi için uç sargılarının gerekli olmadığı hemen anlaşılacaktır. İletkenlerin

kendileri kesintili sargıların oluşturulması için yuvarlanabilir. Motor hala doğrusaldır

çünkü serbestlik derecesi çevrimsel harekettir. Düzlemsel LAM’ lar ve silindirik LAM’ lar

çekirdekteki manyetik akının hareket yönünde bulunduğu motor sınıfına girmektedir. Bu

5

5

tür motorlara ayrıca boyuna akılı motorda denilmektedir. Elektromanyetik devreler

üzerinde değişiklik yapılarak çekirdekteki manyetik akı hareket yönüne dik bir düzlemde

bulunan motorlara enine akı motorları ( TFLAM ) denilmektedir.

Şekil 4. DHAM’ların sınıflandırılması

Kısa primerli Kısa sekonderli

Primer hareketli Sekonder hareketli

Bileşik sekonderli Levha sekonderli

Lineer Asenkron Motor

Düzlemsel motor Silindirik Motor

Enine akılı Boyuna akılı Boyuna akılı Enine akılı

Primer yüzey

sargılı

Primer gramme

Halka sargılı Primer manyetik

Devresi açık

Primer manyetik

Devresi kapalı

6

6

1.3. Lineer Asenkron Motorun Yapısı

Doğrusal hareketli motoru elde etme yöntemlerinden biri Şekil 5’de gösterildiği gibi

döner motorun açılmış halidir.

Şekil 5. Normal bir motordan lineer motor elde etmek için kesme işlemi

Asenkron motorun statoru ikiye kesilir ve üzerine bastırılır ise çift taraflı düz motorun

statoru Şekil 6’daki gibi elde edilir. Eğer metalik levha ikiye ayrılan stator arasına

yerleştirilirse, Çift Yanlı Doğrusal Hareketli Asenkron Motor (ÇYDHAM) elde edilir.

Eğer stator parçalarından birini sistemden çıkarırsak, TYDHAM elde edilir.

Şekil 6. ÇYDHAM ile TYDHAM’un elde edilişi[3]

7

7

Transformatörde olduğu gibi Düz Yapılı Doğrusal Hareketli Asenkron Motorda

(DYDHAM) da çekirdek saçlardan oluşmuştur. Bu saçların bir araya gelmesiyle oluşan

oluklara primer sargılar yerleştirilir. Sekonderi ise bazen tek parça iletkenden, bazen de

merdiven şeklinde olur. Şekil 7 te değişik yapıdaki Doğrusal Hareketli Asenkron Motor

örnekleri gösterilmiştir.

Sargılar genellikle üç fazlıdır.Döner alan elde etmek için en az iki faza, yürüyen alan

elde etmek için en az üç faza ihtiyaç vardır.

Şekil 7. Doğrusal Hareketli Asenkron MotorunYapısı[4]

1.4. DHAM’larda Sarım Türleri

DHAM için değişik sargı şekilleri vardır.Bunlardan en çok kullanılanlar Şekil 8, Şekil

9, ve Şekil 10 da gösterilmiştir.

8

8

a. Kutup sayısı çift olan makinelerde kullanılan tek tabakalı sargılar

Şekil 8. Kutup sayısı çift olan tek tabakalı sargı

b. Kutup sayısı çift olan üç tabakalı sargı

Şekil 9. Kutup sayısı çift olan üç tabakalı sargı

B’

A

B

C’

A’

B

C

A’

B’

C

B’

A

C’

B

3 2 1 4 5 6 7 8 10 11 9 12

A

B

2p=4

x

9

9

c. Kutup sayısı tek olan ve son olukları yarım dolu olan iki tabakalı sargı

Şekil 10. Kutup sayısı tek olan ve son olukları yarım dolu olan iki tabakalı sargı

Şekil 10’daki sarım tekniğinde oluklarda yürüyen dalganın yanı sıra uçlarda tek tabakalı

sargı olasından dolayı yürüyen dalganın yanı sıra tireşim de oluşturur.Bu nedenle yüksek

itme ve çekme kuvveti gerektiren yerlerde bu tür sarım tekniği kullanılır.

1.5. Lineer Asenkron Motorların Uygulama Alanları

Günümüzde hemen hemen bütün döner elektrik makinelerinin lineer eşdeğerleri

uygulama alanında yer almaktadır. Lineer motorun ilk bulunuşu 1845’ te Charles

Wheatstone tarafından icat edilen relüktans tipi lineer motora dayanmaktadır. Lineer

motorlarda en çok uygulama alanı bulan lineer asenkron motorlardır. Lineer asenkron

motorlara ait ilk patent 1895 ’ lerde kumaş tezğahların da mekik fırlatma uygulaması için

alınmıştır. Daha sonra 1930 yılında iki primerli ve manyetik olmayan metal sekonderli

motorun patenti alınmıştır. 1905 yıllarında trenlerin tahriklerinde kullanılması düşünülmüş,

ikinci dünya savaşından önce lineer motorlar büyük uygulama alanı bulamamıştır. Bunun

nedeni olarak o zamanlar elektrik malzeme, elaman ve yarı iletken elektronik elamanların

pahalı oluşu ve henüz bilinmeyişi gösterilebilir. 1945 yılında lineer motor ABD de

uçakların hızlandırılması amacıyla üç fazlı olarak büyük güç ler için imal edilmişlerdir. Bu

gün ise trenlerin tahrikinde kullanılan lineer motorlar ile 500 km/ h lik hızlara

ulaşılmıştır.[3]

1. Ulaşım sistemlerinde hızlı trenlerde sürücü olarak.

2. Kren ve yürüyen köprülerin doğrusal hareketinde.

3. Takım Tezgahlarında tablanın veya kesicinin hareketinde.

10

10

4. Taşıma bantlarının sürülmesinde.

5. Uçak geliştirmede rüzgar tüneli yerine.

6. Gemi geliştirmede modelin hareketinde.

7. Uçak ivmelendirme.

8. Kapı açma- kapamada.

9. Şerit testere çalıştırmada.

10. İletken sıvıların pompalanmasında.

11. İletken parçaların yer değiştirmesinde.

12. Otomobillerin hız ve yapay kaza testlerinde.

13. Örgü makinesinde iplik taşıyıcının sürülmesinde.

14. Tekstil sektöründe mekiklerde.

15. Kuyu açmada çekiç olarak.

16. Doğrusal hareketli pompalarda.

17. Doğrusal hareketli lazer tarayıcılarında.

18. Robotik sanayinde.

19. Öteleme hareketli aktuatörlerde.

20. Öteleme hareketli konum kontrolünde.

21. Bobin Sarma Sistemlerinde.

22. Asansörlerde.

23. Gezgin fırlatma sistemlerinde.

24. Ayırıcılarda.

1.6.DHAM Ġçin Temel Bağlantılar

Primer sargıların oluşturduğu magnetomotor kuvvetin(MMF) etkisiyle oluşan senkron

lineer hareketin bağıntısı,

V =2 = 2f. = ( ).T

(1)

ile ifade edilir. Görüldüğü gibi senkron hız kutup adımına ve primer akım frekansına

bağlıdır.

DHİM’ların sekonder parçasının hızı V,lineer senkron hız Vs’den küçük olması gerekir.

Aksi takdirde V=Vs olması durumunda herhangi bir kuvvet oluşmaz.Kuvvet oluşması için,

11

11

s =

(2)

kaymasının olması gerekir.

Primer hattın akım yoğunluğu ifadesi

J=

(3)

ile hesaplanır.

Primerden sekondere hava aralığı üzerinden aktarılan güç ifadesi

(4)

Lineer asenkron motorlarda mekanik güç ifadesi

(5)

Lineer asenkron motrorlarda lineer itme kuvveti Fx ile elektro manyetik kuvvet F

arasında ifade

(6)

bağıntısı ile elde edilir.

(4) ve (5) bağıntılarından

( )

elde edilir. (7)

Primer sargılarda endüklenen gerilim

(8)

Burada ana akı

12

12

(9)

ve primer emf form faktörü

⁄ (10)

olarak ifade edilir.

Döner tip indüksiyon makinelerde dönüşüm oranı

(11)

(12)

(13)

Bu bağıntılar DHİM için de geçerli olup sekonderi levha veya merdiven biçiminde ise

N2 =0.5 ve kw2 =1 (14)

Dolayısıyla primere indirgenmiş sekonder EMK’sı

ü=2.kw1.N1 (15)

( ) (16)

olur. M2 fazlı sekonderin görünür gücü m1 fazlı primerde ifade edilirse

= 2.E2.I2 (17)

ve primere indirgenmiş sekonder akımı

13

13

(

) (18)

olur. Primere indirgenmiş sekonder empedansı

(

)

bağıntısı ile ifade edilir. (19)

Sekonderi levha şeklinde ise

m2 = 2.p (20)

Makinenin giriş ve çıkış gücü

(21)

(22)

olduğuna göre,verim

(24)

DHİM’lerde . 0.4 dür. Yani DHİM’lerin form faktörü düşüktür. Bunun

nedeni hava aralığının büyük olması, uç ve yan etkileridir.

1.7. Süperiletkenlerin Temel Özellikleri

1.7.1. Sıfır Direnç

Bütün metal ve alaşımların elektriksel dirençleri sıcaklık azaldıkça azalır. Bir

iletkendeki akım, iletken içerisinde serbest hareket eden ve iletim elektronları adı verilen

elektronlarla iletilir. Elektronlar dalga özelliğine sahiptir ve metal içerisinde hareket eden

bir elektron aynı doğrultuda hareket eden bir düzlem dalga ile temsil edilebilir. Bir düzlem

14

14

dalganın, saçılmaya uğramadan periyodik bir yapıdan geçme özelliği vardır. Böylece,

elektron aynı doğrultudaki momentumunda herhangi bir kayıp olmadan mükemmel bir

kristalden geçebilir. Diğer bir ifadeyle, kusursuz bir kristalden akım geçirilirse akım bir

dirençle karşılaşmaz. Metallerde direnç, elektronların; fononlar, safsızlıklar ve kristal

kusurlarından saçılmaları ile oluşmaktadır. Mükemmel saf metallerde direnç sadece

sıcaklığa kuvvetli bağımlılık gösteren fononların elektronları saçmasından

kaynaklanmaktadır. Bu nedenle saf metallerde sıcaklık mutlak sıfıra (0 K) giderken,

dirençte sıfıra gidecektir. Ancak herhangi bir metalin daima safsızlıklara sahip olması

nedeniyle elektronlar sıcaklıktan bağımsız olarak saçılacaklar ve mutlak sıfırda dahi bir

direnç göstereceklerdir. Fakat süperiletken bir malzemede sıcaklığın düşmesiyle örneğin

direnci sürekli azalır ve kritik sıcaklığa gelindiğinde aniden sıfıra düşer. Süperiletken

durumda, doğru akım için elektriksel direnç sıfırdır yani süperiletken durumda akımda

herhangi bir kayıp yoktur. Yüksek sıcaklık süperiletkenleri tanecikli yapıya sahip

olduklarından sıfır direnç ancak bu tanecikler arasındaki bağlantı sağlandığı zaman geçerli

olmaktadır.

1.7.2 Kritik Sıcaklık (Tc)

Kritik sıcaklık, süperiletkenin direncini kaybettiği sıcaklık olup Tc ile gösterilir ve her

metal için süperiletkenliğe geçiş sıcaklığı farklıdır. Bütün metaller süperiletkenlik

göstermez. Örneğin; bakır, demir ve sodyum ulaşılan en düşük sıcaklığa

soğutulduklarında bile süperiletkenlik göstermemişlerdir. Bununla beraber metalik

elementlerin yarısı ve alaşımların büyük bir çoğunluğu süperiletkenlik gösterirler.

Bir malzemenin normal-süperiletken geçiş durumu için iki önemli aşama vardır.

Bunlar, taneli yapının karakteristik yapısal özelliği olan taneler ve taneler arası

etkileşmelerdir. Soğutma işlemi yapılan malzemede, süperiletkenliğe ilk geçenler

tanelerdir ve birinci aşamada tanelerden ileri gelen geçiş sıcaklığı gözlenir. Tanelerin

süperiletken olmasıyla geçişin başladığı ve malzemenin direncini kaybetmeye başladığı

ilk geçiş sıcaklığı başlangıç geçiş sıcaklığı (Tc-başlangıç) olarak adlandırılır. Soğumayla

tanelerin tamamen süperiletken olduğu ve taneler arası etkileşmeden kaynaklanan geçişin

başladığı sıcaklık, orta-nokta kritik sıcaklığı (Tc-orta nokta) olarak adlandırılır .

Malzemenin tamamen süperiletken hale geçtiği ve direncini kaybettiği sıcaklık ise sıfır

direnç geçiş sıcaklığı (Tc-sıfır) olarak adlandırılır.

15

15

1.7.3. Nüfuz Derinliği

Süperiletken mükemmel bir diamanyetik maddedir. Süperiletken örneğin yüzeyinde

oluşan yüzey akımları uygulanan manyetik alana ters yönde bir manyetik alan oluştururlar.

Manyetik alanın örneğe girmesini engelleyen yüzey akımının tamamı yüzeyde oluşmaz.

Eğer akımın sadece yüzeyde oluştuğu varsayılır ve kalınlığı yok kabul edilirse, akım

yoğunluğu sonsuz olur ve bu fiziksel açıdan imkânsızdır. Akım farklı metallere göre

değişiklik gösteren yaklaşık olarak 10–5 cm kalınlıklı çok ince bir yüzey tabakasından

akar. Bu tabaka çok ince olmasına rağmen, süperiletkenin özelliklerini tanımlamada

önemli rol oynar.

Süperiletken bir örneğe manyetik alan uygulandığında, içerdeki manyetik akıyı yok

edecek şekilde dolaşan perdeleme akımı bu yüzey tabakasının içinden akar. Sonuçta, akı

yoğunluğu birden bire örneğin yüzeyinde sıfıra düşmez. Akı, perdeleme akımının aktığı

yüzey tabakası içinde sıfıra düşer. Bu nedenle, perdeleme akımının aktığı bu derinliğe

nüfuz derinliği (λ) denir. Bu derinlikte uygulanan dış alan yok olur.

1.7.4. Uyum (Koherens) Uzunluğu

Süperiletkenlikle ilgili önemli parametrelerden bir diğeri de uyum uzunluğu olarak

bilinen ‘ξ’dir. İlk olarak 1953 yılında Pippard tarafından ortaya atılan uyum uzunluğu ile

ilgili birçok tanımlama vardır. Uyum uzunluğu, üzerinde süperiletkenliğin oluşturulabildiği

veya yok edilebildiği en küçük boyut olarak düşünülebilir. BCS teorisinde uyum uzunluğu,

Cooper çiftindeki iki elektronun birbirleri ile bağlı olarak kaldığı mesafe ile doğrudan

ilgilidir. [5]

Uyum uzunluğu, nüfuz derinliğinden büyükse madde I. tip bir süperiletkendir ve pek

çok metalik süperiletken bu gruba girmektedir. Ayrıntılı analizler, uyum uzunluğu ve

nüfuz derinliğinin, normal bir metalin elektronlarının ortalama serbest yoluna bağlı

olduğunu göstermiştir. Bir metaldeki ortalama serbest yol, metale safsızlıklar katılarak

kısaltılabilir. Metale safsızlıklar eklendikçe, nüfuz etme derinliği artar, uyum uzunluğu

azalır. Uyum uzunluğu özellikle II. tip süperiletkenlerin belirlenmesinde önemli bir yere

sahiptir. Çünkü şinzburg-Landau Parametresi κ = λ/ξ oranındaki artış II. tip

süperiletkenliği öne çıkarırken, azalış I. tip bir süperiletkenliğe neden olmaktadır. Öyleyse

I. tip süperiletkene safsızlıklar katılarak (λ’yı büyüterek) kritik sıcaklıkta önemli bir

değişiklik olmadan II. tip süperiletkene dönüştürülebilir. Sözgelimi saf kurşun I. tip bir

süperiletken olmasına rağmen, ağırlık olarak % 2 indiyum eklenmesiyle, Tc‟de önemli bir

değişiklik olmadan II. tip süperiletkene dönüştürülebilir.

16

16

1.7.5. Termodinamik Kritik Alan (Hc)

Süperiletkenliğe geçişi en az kritik sıcaklık kadar belirleyen bir başka temel özellik de

kritik manyetik alandır. Süperiletken durumda malzemeye dış bir manyetik alan

uygulandığında, alanın belirli bir değerine kadar malzeme süperiletkenliğini korurken,

yeteri kadar güçlü bir manyetik alan süperiletkenliği yok edebilir ve normal direnç tekrar

ortaya çıkabilir. Süperiletkenliği bozan ve sıcaklığın bir fonksiyonu olan bu alan kritik

manyetik alan (Hc) olarak tanımlanır.

1.8. Tersinir ve Tersinmez Süperiletkenler

Manyetik alana karşı hassaslığın, malzeme yapısına, sıcaklığına ve manyetik alanın

uygulama sürecine bağlı olduğu II. tip süperiletkenlere manyetik alan iki farklı şekilde

uygulanabilir: Birincisi numune herhangi bir manyetik alan altında normal halden

soğutularak süperiletken hale getirilebilir (alan altında soğutma (FC)). İkincisi normal

haldeyken herhangi bir manyetik alan yokken soğutularak süperiletken hale getirildikten

sonra manyetik alan (alan yokken soğutma (ZFC)) uygulanabilir.

Numune süperiletken haldeyken dış manyetik alanın, numunenin içine girmesi üç

şekilde artabilir:

1. Numunenin sıcaklığı kritik sıcaklığı geçmeyecek şekilde manyetik alan altında

arttırılırsa,

2. Numune sabit sıcaklıkta iken dış manyetik alanın arttırılmasıyla ,

3. her ikisi uygulandığında numunenin içine nüfus eden manyetik alan şiddeti artar.

Numunenin içine manyetik alan homojen şekilde girmeyip, önce tane arasına akı

kuantumunun katları şeklinde, toplam akı değerine sahip akı merkezleri oluşturacak

şekilde girer. Bu işlemlerin tersi uygulandığında ise örneğin içinden manyetik alan dışarı

atılmaya başlar. Fakat numunenin özelliğine göre belirli akı girişi olan yerlerde akı,

çivilenme merkezlerinden dolayı numune dışına çıkamaz. Dolayısıyla akı o merkezlerde

tuzaklanır. Tuzaklanan akı merkezleri etrafında, çivilenmesinden dolayı akım halkası

oluşur. Oluşan akımlar ise örneğin manyetizasyonunu, dolayısıyla kritik akım

yoğunluğunun yüksek olmasını sağlar.

Eğer numunede tuzaklanma merkezleri çok ise, dış manyetik alan sıfırdan belirli bir

değere kadar arttırılıp sonra da sıfıra indirildiğinde, tuzaklanan akılardan dolayı belirli bir

değere sahip manyetizasyon oluşacaktır. Yani manyetizasyonun uygulanan dış manyetik

alana göre değişimi, manyetik alan arttırıldığında ve azaltıldığında aynı yolu

izlemeyecektir. Bu tip süperiletkenlere tersinmez süperiletkenler denir. Numunenin

17

17

yapısında akı merkezleri hiç yoksa örnek sabit sıcaklıkta manyetik alan arttırılsa da

azaltılsa da aynı manyetizasyon eğrisi üzerinden gider. Bu tip süperiletkenlere de tersinir

süperiletkenler denir.

1.9. Süperiletkenlerin Manyetik Kaldırma Kuvveti Özellikleri

Külçe RE123 ve Y123 süperiletkenlerinin yüksek manyetik kaldırma kuvveti özelliği,

bu süperiletkenlerin manyetik yatak; enerji depolayan dönen çark; güçlü süperiletken

mıknatıs ve manyetik olarak havalanmış ulaşım araçları (Maglev trenleri) gibi birçok

sistemde uygulama alanı bulmasına olanak sağlar. Belli bir süperiletkenin manyetik

kaldırma kuvveti değerinin, alan kaynağının (mıknatıs) manyetik alan dağılımıyla çok

fazla değişmesi, birçok araştırmacıyı bu alana yönlendirmiştir. Yang ve arkadaşlarının

yaptığı çalışmalarda, süperiletken ile mıknatıs arasındaki manyetik kaldırma kuvvetinin;

mıknatıs sayısına, mıknatıs konfigürasyonuna ve mıknatıs boyutuna bağlı değiştiği

görülmüştür (Yang vd., 2001). Bu çalışmalarda, süperiletken ve mıknatıs boyutu arttıkça,

manyetik kaldırma kuvvetinin de arttığı ve maksimum değerine mıknatıs boyutu

süperiletken boyutuna eşit olduğunda ulaştığı tespit edildi. Süperiletken ile mıknatıs

arasındaki manyetik kuvvetin, süperiletkenin manyetik alan altında (FC) ve alansız (ZFC)

soğutma durumlarına da bağlı değiştiğini gösteren birçok çalışma yapılmıştır (Hull ve

Cansiz, 1999).

Ayrıca, FC durumundaki maksimum manyetik çekme kuvveti değerinin ZFC

durumundan daha büyük olduğu tespit edildi . Yapılan çalışmalar süperiletken ile mıknatıs

arasında bizim ihtiyacımızı karşılayacak büyük manyetik kaldırma veya çekme kuvveti

için boyut oranı veya soğutma şartlarının optimizasyonunun gerekli olduğunu söyler.

2. YAPILAN ÇALIġMALAR

2.1. Lineer Asenkron Motora Ait Teknik Veriler

Oluşturulan lineer asenkron statorunu oluşturan E tipi trafo sacı ölçüleri şekil 11 de

gösterilmiştir. Her bir trafo sacının kalınlığı 0.5 mm dir. Toplam 1600 adet trafo sacı

kullanılmıştır.

18

18

Şekil 11. Primeri oluşturulan E tipi trafo sacı ölçüleri

Oluşturulan lineer asenkron motora ait teknik veriler tablo 1 de verilmiştir.

Tablo 1. Lineer asenkron motorun teknik verileri

Açıklama

Değer

Birim

Kutup adımı 99 mm

Çift kutupların sayısı 22 _

Primer uzunluğu 100 mm

Primer genişliği 60 mm

Tek bir bobin sarım (spir) sayısı 60 Tur

E tipi silisli trafo sacı kalınlığı 0.5 mm

Şebeke frekansı 50 Hz

Faz gerilimi 220 V

Kullanılan EMAYE Bobin teli kesiti 0.5 mm

66 mm

11 mm 11 mm 22 mm

11 mm 11 mm

33 mm

44 mm

19

19

2.2. OluĢturulan Lineer Asenkron Motora Ait Görüntüler

Tasarım aşamasında lineer asenkron motora ait primer, sekonder, bobin, E tipi trafo saç

ve lineer asenkron motor yapımında kullanılan malzemeler şekil 12, şekil 13, şekil 14,

şekil 15 ve şekil 16 da gösterilmiştir.

Şekil 12. E tipi trafo saç

20

20

Şekil 13. 0.5mm kesitli bobin teli

Şekil 14. Bobin telinin E tipi trafo sacına yerleştirilmiş hali

21

21

Şekil 15. Statorun üstten görünümü

Şekil 16. Statorun önden görünümü

22

22

2.3.Süperiletken ve Mıknatıslara Ait Veriler

Kullanılan mıknatısların boyutu şekil 17’de gösterilmiştir. Bu projede kullanılan

mıknatısın türü Neodyum Iron Boron (NdFeB) yani kısaca neodyum mıknatıstır.

Şekil 17. NdFeB mıknatısın boyutları

Kullanılan süperiletken ve mıknatıslar şekil 18, şekil 19, şekil 20, şekil 21 ve şekil 22

de gösterilmiştir.

Şekil 18. Kullanılan süperiletken

30 mm 40

mm

23

23

Şekil 19. Kullanılan neodyum mıknatıslar

Şekil 20. Süperiletkeni soğuturken

24

24

Şekil 21. Süperiletkenin aliminyum folyöye sarılmış hali

Şekil 22. Süperiletkenin mıknatıs üzerinde havada hareketi

25

25

3. SONUÇ VE ÖNERĠLER

Bu tez de yapılan çalışmalar sonucunda Maglev(magnetic-levitation) in çalışma

prensibi incelendi. Maglev temel olarak doğrusal hereketli motor ve süperiletken

olarak iki kısımdan oluşmaktadır. Doğrusal asenkron motor itme görevini

sağlayarak, süperiletken ise kaldırma kuvvetini sağlayarak maglevin çalışma ilkesini

bize göstermektedir. İlk olarak Doğrusal Asenkron Motor un çalışma prensibi

incelendi. Normal asenkron motorun dönerek elektrik enerjisini mekanik enerjiye

çevirirken, doğrusal hareketli motorun bu görevi öteleme hareketi ile doğrusal olarak

yaptığını inceledik. Doğrusal hareketli motor kutupların birbirini tamamlar şekilde

olması , n-s kutup serisi ile bir itme kuvveti oluşturmasını gözlemledik. E

şeklindeki trafo saclarını ellişerli olarak birbirine presleyerek birleştirdik. Daha

sonra yarı çapı 0.5mm bobinlerle oluşturduğumuz kalıplara 60’ar sarım yaptık,

yaptığımız her kalıbı saclara geçirdik. Bobinlerin girişlerine verdiğimiz gerilimi adım

adım arttırarak akım değerlerimizi gözlemledik ve akım değerimiz arttıkça sacların

etrafında bir manyetik alan oluştuğunu gözlemledik. Ama bu itme kuvveti tamamen

belirgin bir itme kuvveti olduğunu gözlemleyemedik , bunun sebebini hava

aralığındaki kayıplara ve demir kaybına bağladık.

Neodyum mıknatıslarımızı özel kestirdiğimiz demirimize itme yapabileceği

şekilde kutup sıralarını göz önünde bulundurarak yerleştirdik ve neodyum mıknatıs

cok kuvvetli olduğundan ve yerleştirilme şeklinden dolayı trenimizi rahatlıkla

itebildiğini gözlemledik. Daha sonra oluşturduğumuz doğrusal asenkron motorumuzu

mıknatıslarımızın yan kısmına sıralı bir şekilde yerleştirdik.

Neodyum mıknatısımızın kuvvetli olmasından dolayı süperiletkenlerimizi rahatca

kaldırırken, doğrusal hareketli motorumuzun trenimize ilk hareketi vermekte

zorlandığını gözlemledik. Bunun sebebini de kayıplara bağladık.

Tezimizin ne kadar önemli bir proje olduğunun farkında olmakla birlikte geniş

periyotta çalışma istediğide kaçınılmazdır. Ar-ge olarak daha fazla zaman ve daha

fazla desteklerle bu gibi önemli projeler üzerinde öğrenciler çalışmaya

yönlendirilirse , hem ülkemiz olarak hem insanlığa bir yarar sağlama adına çok büyük

adımlar atılacağını düşünüyoruz.

26

26

4. KAYNAKLAR

[1] Erdem, Sinan, Böyle çalışır, Bilim ve Teknik Dergisi, Türkiye, Mayıs 2004.

[2] Altun, H., Lineer Asenkron Motorun Vektörel Kontrolü, Phd Thesis, Fırat University,

Turkey,2001.

[3] Nasar, Syed A. ve I. Boldea, Linear Electric Actuators And Generators, Polytechnic

Institue,USA,1997.

[4] Akpınar, A.S., Doğrusal Hareketli Elektrik Makinaları Yüksek Lisans Ders Notları,

KTÜ, 2004.

[5] Moon,Francisn C.,Superconducting Levitation,Cornell University,New York,2004

[6] Laithwaite, E.R., Propulsion Without Wheels, The English Universities Pres Ltd,

1970.