Magnetic Levitation (Manyetik Levitasyon) - Elektromekanik sistemleri
1. Tokat Gazi Osman Paşa Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Danışman
Prof. Dr. Ahmet FENERCİOĞLU
Hazırlayan
Şahabettin AKCA
Mekatronik (Bilgisayar) Mühendisliği
Magnetik Levitasyon
20 Aralık 2018
1
2. Magnetik Levitasyon
Levitasyon (levitation) Türkçe karşılığı ile yükselinimidir. İnsan yada
hayvan vücudunun veya özgül ağırlık olarak havadan daha ağır nesnelerin
görünür herhangi bir fiziksel etkenin yardımı olmadan havaya kaldırılması,
havada asılı kalmasına verilen addır.
Manyetik levitasyon, bir nesnenin manyetik alanlardan başka bir destek
olmadan askıya alındığı bir yöntemdir. Manyetik kuvvet ise yerçekimi
ivmesinin ve diğer ivmelerin etkilerini ortadan kaldırmak için kullanılır.
2
3. Kullanım Alanları
Magnetik levitasyonun kullanım alanları; Maglev trenler, temassız erime
magnetik rulmanlar ve ürün teşhir amaçlı kullanılır. Örnek olarak NASA gibi
şirketlerde simülasyon test uygulamaları rüzgar tünellerinde, enerji üretiminde
kullanılan rüzgar tribünlerinde verimi maksimize etmek için ve askı sistemleri
tozsuz ve temassız olduğu için üretim aşamasında yarı iletken levhaların
taşınmasında yoğun olarak kullanılmaktadır.
Magnev sistemleri elektromanyetik alanın yapısından dolayı doğrusal
olmayan sistemlerdir. Etkin bir kontrol sistemi geliştirebilmek için bu
sistemlerin bir çalışma noktasından doğrusallaştırılması gerekir. Bu amaca
yönelik en popüler denetleyici türlerinden biri olan PD denetleyicilerin
kullanılması bahsedilen çalışma noktasının daha uygun bir şekilde tayini için
idealdir.
MAGLEV SİSTEMİNİN GENEL YAPISI
Tasarlanan magnev sistemi temel olarak demir çekirdek üzerine sarılmış
bobin ve kontrol devrelerinden oluşur.
3
Manyetik
Levitasyon
Örnek Ürün ve
Materyal
Görünümleri,
Maglev Treni
4. !
Yukardaki şekilde de görüldüğü gibi magnev sisteminin genel tasarımı ve
ana elamanları görülmektedir.
$
Yapılan tasarımda görüldüğü üzere sistem demir çekirdek üzerine sarılmış
bobin ve bobinin monte edileceği boyutları verilmiş olan demir sac levhaların
birleşiminden oluşmuştur. Soğutucular, bobindeki bakır iletkenlerin içerisinden
akım geçmesi nedeniyle demir çekirdekte meydana gelecek olan ısınmayı
mümkün olduğunca azaltmak ve sistemin aşırı ısınma nedeniyle zarar
görmesine önlemek amacıyla konulmuştur.
4
5. Bobinin monte edildiği demir sac levha bobin çevresi boyunca
delinmiştir. Bunun nedeni sistemde kaçak akı olması durumunda delikler
vasıtasıyla oluşturulan hava aralıklarının kaçak manyetik akıya büyük bir direnç
göstermesini sağlayarak akıyı zayıflatmak ve akı yolunun demir gövde
üzerinden tamamlamasını engellemektir.
MAGLEV SİSTEMİNİN TEORİK ALT YAPISI VE
MODELLENMESİ
$
Yukardaki şekildede görüldüğü gibi daha basit alt sistemle gösterilmiştir.
Bu sistemler; konum algılama alt sistemi, Manyetik indiksiyon alt
sistemi, Denetleyici alt sistem ve DC yükselteç alt sistemleridir. Bu sistemleri
kısaca açıklayacak olursak;
Konum Algılama Alt Sistemi;
5
6. !
Kızıl ötesi ışın yayıcı ve alıcı elemanlar manyetik levitasyon sisteminin
gövdesine sabitlenmiştir. Bu sayede kızıl ötesi işinların dağılımının
değişmemesi sağlanmıştır. Yine Şekilde görüleceği üzere cisim direkt olarak bu
kızıl ötesi yayıcı ve alıcı arasında askıda kalmaktadır. Böylece alıcı tarafından
toplanan kızılötesi sinyalinin yoğunluğundaki değişim sadece askıda kalan
cismin dikey eksendeki konumuna bağlıdır. Sonuç olarak algılayıcının
terminallerinde üretilen gerilimi küresel topun bir fonksiyonu olarak uygun bir
hassasiyetle elde edebiliriz.
Yukarıdaki şekilde görülen denkleme göre çıkış gerilimi cismin
konumunu temsil eden x ile olarak değişmektedir.
Vx=Gs.x
Vx:Sensör Çıkış gerilimi
Gs: Sensör Kazanç
Manyetik indiksiyon alt sistemi;
Fg: yerçekimi kuvveti
Fm: Elektro manyetik kuvvet
Fa: İvme Kuvveti
Fa= Fm-Fg
Fg=Mg
Fa=M*d2x/dt2
Burada M=Küresel topun Kütlesi
X=Küresel Topun Konumu
G=Yerçekimi Sbt
6
7. MAGNETİK LEVİTASYON YÖNTEMİYLE CİSİMLER NASIL
HAVADA KALIR?
Fiziksel olarak süper iletken maddelerin varlığına dayanmaktadır.
Kullandığımız iletken maddeler, büyük veya küçük iç dirence sahiptir. Bu
sebeple bize; enerji ile ısı kaybı olarak geri dönmektedir. Süper iletkenlerde bu
sorun yoktur.
Süper iletken madde : Elektiriksel iletkenlikleri sonsuza yaklaşan
maddelerdir. Elektrik akımı dirençle karşılaşmadan süper iletken maddelerin
üzerinden geçebilmektedir. Süper iletkenlerin başka özelliği ise içindeki
mağnetik akıyı mükemmel bir diyamagnetiklik özelliği göstererek dışarı
itmeleridir. Bu diyamanyetik özelliği, Meissner Etkisi olarak tanımlanır. Ayrıca
süper iletken maddelerden yüksek akımlar geçebilir.
Bu iletkenler soğuk alanlarda -189 ile 267 C derece aralığında üretilir.
İnsan yaşamı için çok düşük değerlerde ve bazı canlı gibi davranan metallerde
soğuk onların ham maddesi olduğu için belli bir sıcaklık değerinden sonra süper
iletken özelliğini kaybediyorlar. Kimyasal yöntemler ile maddeyi soğutma
işlemine tabi tutarsak dirençlerini kaybederler. Süper iletkene özelliği kazanan
metaller bundan sonra akım kaynağına olarak kullanılabilirler. Akım Manyetik
alan yayılımı iç alandan dış alana atar, bu sayede büyük kuvvetlerin doğmasını
sağlar. Sıradan mıknatıslardan 10 kat daha güçlü manyetik alan üretirler.
$
Süper iletken maddelerin diyamanyetik özelliği sayesinde cisim
yüzeyinde elektirik akımı oluşturularak neredeyse tüm manyetik alanı
itilebilmektedir. Cismin yüzeyinde oluşan manyetik alan maruz bırakılan
manyetik alanı Meissner Etkisi altına alır fakat çok ince bir tabaka da olsa
kullanılan süper iletken madde manyetik alanın kullanılan cisme geçmesine
7
8. sebebiyet veriri. Kullanılan cisme geçen manyetik alan Voretex denilen tüp
şeklinde biliniyor. Bu tüplerin içinde bulunan süper iletkenlik de yerel olarak
kırılıyor ve cisim mnyetik akımının tüplerin içine hapsedilmesini sağlıyor.
Cisim kendini olduğu yere sabitleyebiliyor. Böylelikle magnetik levitation
gerçekleşmiş oluyor.
Maglev Trenleri
$
Maglev olarak da bilinen magnetik levitation trenleri de temel olarak bu
ilkeye bağlı olarak çalışmakta. Magnev trenlerinin altında mıknatısa benzetilen
bir yapı bulunmakta bu yapı ile birlikte tren havada asılı bulunmakta havada
haraket edebilmekte Teknolojininde gelişimi ile birlikte mevcut trenlere
kazandırılan hız sürekli arttırılabilmektedir.
Brookhaven Laboratuvarında James Powell ve Gordon Danby, manyetik
levitasyon trenin ilk patentini 1960’lı yıllarda aldılar. Trenlerin araçlardan daha
iyi bir ulaşım aracı olması gerektiğinden yola çıkarak bulundu. Süper iletken
mıknatıs sayesinde treni havaya kaldırıp sürtünmesiz olarak ilerletebileceğini
düşündü.
Ticari olarak ilk defa süper iletken kullanılan yüksek hızlı Maglev treni
2004 yılında Şangay’da açıldı. Şekil olarak U harfine benzer bir modelde
rayların üstünde havada asılı durur. Aynı kutuplar denk geldiğinde bir birini iter,
bu şekilde trenin hareketi sağlanır.
Rayların üç adet görevi vardır:
1) Treni raylardan 12.7 cm havada tutacak manyetik alan oluşturmak.
2) Yatay açıdan, trenin dengede kalmasını sağlamak, istenen konumdan
uzaklaştığından manyetik alan artırılarak raydan çıkmaması sağlanır.
3) AC akım kullanılarak, manyetik olarak itme ve çekme sistemidir.
8
9. Maglev trenleri saatte 600 kilometre hızlara çıkabilmektedir. Rekor
sürekli ilerletilmektedir. Prototip olarak Çinde kullanılan trenler saatte 1000 km/
saat hızlara ulaşmaktadır. Bu hızda Türkiye’nin bir ucundan diğer ucuna
yaklaşık 1.5 - 2 saatte gidilebilecektir.
Maglev trenleri sürücüsüz ve sabit hızda hareket etmektedir. Buda kaza
ve çarpışma riskini minimuma indirmektedir.
Vakumlu yapılacak tren veya benzeri sistemler ile 2900 km/saat hızlara
çıkması planlanmaktadır.
Manyetik levitasyon, gelişmekte olan bir alan ilerleyen günlerde kullanım
yerleri ve kapasitesinin artacağı öngörülmektedir.
9
10. Kaynaklar
1-) WHYTE, Chelsea, “How Maglev Works”, U.S. Department of Energy, Washington June 2015
<https://www.energy.gov/articles/how-maglev-works>, (Erişim Tarihi: 15.12.2018)
(Çeviren: http://fizikakademisi.com/2016/06/29/maglev-treninin-calisma-prensibi/ )
2-) YÜCEL Oğulcan, Manyetik Levitasyon, KTÜ-FBE, Lisans, Trabzon Mayıs 2012
3-) Dr. BİLGİSİ, Zeynep, “Maglev Treninin Hızı Saatte 1000 km’nin Üzerine Çıktı”, Tübitak Bilim Genç
Dergisi, 2016 Kocaeli
4-) "Süperiletkenlik." Vikipedi, Özgür Ansiklopedi. 4 Eyl 2018, 18.51 UTC. 15 Ara 2018, 12.31 <//
tr.wikipedia.org/w/index.php?title=S%C3%BCperiletkenlik&oldid=19973417>.
5-) Wikipedia katılımcıları (2017). Levitasyon. Vikipedi, Özgür Ansiklopedi. Erişim tarihi 12.32, Aralık
11, 2018 url://tr.wikipedia.org/w/index.php?title=Levitasyon&oldid=18706423.
10
