3 - MANYETİK YATAKLAR NASIL ÇALIŞIR?

3.1. Genel Anlamda

Genel anlamda manyetik yatakların uygulanması ferromanyetik çekim özelliğine sahip elektromanyetik esaslara dayanmaktadır. Gerek elektromanyetik stator yatak içersinde, gerekse manyetik alanın meydana getirilmesinde bir ferromanyetik rotor geliştirilmektedir.
Doğal eğilim gösterebilen statorlardan, iyi bir çekim gücüne sahip rotora kadar her ikisi arasında iletişim kurulması kontrolün amacı içersindedir. Kontrol, manyetik alanın ayarlanmasında ve rotorun hazır konumda tutulmasında gereksinim duyulmaktadır. Kontrol sistemlerinin en yaygın kullanımı, şaftın dönüşünü kontrol altında tutmaktır. Manyetik alanın amplifikatörlere doğru aktarılması, ayarlanması ve bunun için gereken bilgilerin tam olarak sağlanması için kontrol sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu sebeplerden dolayı rotorun hazır konumda tutulması, şaftın ve olası değişimleri kontrol altına alınması sağlanabilmektedir. Bir aktif manyetik yatak sisteminde elektromanyetik yatak alanın oluşması, sensörlerin (algılayıcılar) pozisyonu, kontrol sistemi ve amplifikatörler Şekil 3.1'de görüldüğü gibi gösterilmiş, yatak hareketlendiricileri ve sensörler makinenin içine yerleştirilmiştir. Kontrol sistemi ve sensörler, genel olarak küçük bir dereceye kadar yerleştiriebilirler.

Şekil 3.1. Aktif Olarak Çalışan Manyetik Yatak Sistemi

3.2. Eksenlerin Yöneltilmesi

Konvensiyonel olarak resimlenen aşağıdaki diyagramda (Şekil 3.2). 5 eksenli manyetik yataklarda eksenlerinin kullanılması gösterilmiştir.

Şekil 3 .2. Manyetik Yataklarda Eksen Tanımlamaları

3.3. Hareketlendirici - Radyal Yataklar ve Yataktaki Görevleri

Tipik bir sistemin oluşumu bir itici yatak ve iki radyal yatakta gerçekleşmektedir. Bu stator ve sistemi monte edilen manyetik yatak şaftın üzerine ayarlanmış ferromanyetik rotorun oluşturduğu aerodinamik kuvvetler, bu stator mıknatıslar sayesinde ortadan kaldırılabilmektedir. Rotor, saftın üzerine bir tabaka halinde monte edilmiş küme şeklinde bulunan bileziklerin bir bütün halidir. Bu bilezikler çok ince tabakalar halindedir. Yatak içersinde girdap dolayısıyla oluşan kayıpların azaltılmasını ve yatağın her durumdaki tepkisinin düzeltilmesini sağlamak için bu bilezikler ince olarak tasarlanırlar. Stator dört adet mıknatıs parçasından oluşmaktadır. Stator ince tabakalar halinde kutupları birbirini karşılayacak şekilde iç çapları üzerine yığın halinde yapılmaktadır (Şekil 2.5). Bobinler herbir kutubun etrafına çevrilmiştir. Bu sebepten dolayı manyetik yatak içersinde stator 4 çeyreğe bölünmüştür. Her çeyrekte bobinler çevirdiği bölge içersinde işlevlerini seri bir şekilde yerine getirmektedirler. Bu her çeyrekteki işlev bir elektro manyet olarak ortaya çıkmaktadır. Makinelerde tipik olarak bu bölüntüler, yatağa göre 45° açı yaparlar. Her bölüntünün karşıtı bir eksen oluşturur ve bununla birlikte her radyal yatak en az iki eksenli olarak tanımlanabilir.

3.4. Kontroller - İtici Yataklar ve Yataktaki Görevleri

Endüstriyel makine sistemlerinde, eksenel ya da itici yatak iki adet statoru kapsamaktadır. Statorlar som çelikten yapılarak gene aynı malzemeden yapılan takozlarla desteklenirler. Statorlar, radyal oluklar aralarına takoz olarak yerleştirilmiş olan ince tabakalı elemanlar olarak adlandırılırlar ve yatağın tepkisin düzeltilmesi için kullanılırlar. İtici statorlar yüzeyleri bobinlerle doldurulmuş bir yada iki dairesel oluklu mekanizmaya sahiptir. Rotorun her bir kenarına monte edilen bu statorlarla itici yataktaki eksenel kuvvetler (aerodinamik kuvvetler) her iki yönde önlenebilmektedir.
Saftın pozisyonunun tespit edilmesi, sensörlerin aldığı pozisyonuna göre bu sinyallerin iletilmesinde kontrol sistemi kullanılmaktadır. Şaftın yerinden oynaması gibi pozisyonlarda hataların tespit edilip, bunu düzeltmeye yönelik sinyaller yardımı ile hata durumunu tanımlanması ve işlemlerin gerçekleştirilmesi sağlanabilmektedir. İlk sinyal yatağın güncel o anki durumunun belirtildiği sinyallerdir. Bunlar yatağın kontrolü için gereklidir (Şekil 3.1).

3.5. Kontrol Sistemleri Nedir? İşlevleri Nelerdir?

Manyetik yatağın kontrol edilmesi, saft pozisyonunun geri iletilmesi bilgisi, kontrol sisteminin müsaade ettiği miktar kadar olmaktadır. Kontrolün geri iletilmesi kapalı konumda şaftın bir dönüşü ile ifade edilmekte ve şaftın durağan pozisyonda tutulması için bu işlemler seri olarak tekrarlanır. Örnek adlandırma (ilk adlandırma), şaft merkez pozisyonunun üzerinde olduğu anda sinyal artışı sağlanıp merkez pozisyonuna getirilmesi ile dengeye alınması ile gerçekleştirilmektedir. Normalde, manyetik yatak kontrolü sinyallerin giriş ve çıkış (SISO Single Input - Single Output) davranışlarına göre sağlanmaktadır. Bu geçerli olan kontrol, uygun eksen değiştirilmesi ile bir algılayıcının sebep olmasıyla ortaya çıkan güncel bir bilgidir. Kontrol sisteminin unsurlarının kapsamı düşünüldüğünde bir pozisyonlu sensor ve buna eşlik eden elektronik devreler, kontroller ve amplifikatör gelmektedir (Şekil 3.3).

Şekil 3.3. İdeal Kontrol Sistemi

3.5.1. Sensorler (Algılayıcılar)

Sensörler, saft hakkındaki bilginin kontrol sistemine iletilmesinde ve elektrik voltajının uygun düzeyde tutulmasında bir nevi kontrol görevi görmektedirler. Normalde saftın hazır konuma geçmesinde, sensorlerin ayarı ile mevcuttur. Sensorler hüküm barındırmayan voltajla yüklenirler (yalıtkandırlar).

3.5.2. Kontrolör

Sensorlerin bulunduğu konum itibari ile algılayıcılardan gelen voltaj sinyallerine cevap veren bir işlemcidir. Bu tür bilgilere sahip işlemci amplifikatörlerin ihtiyacı oranında işlem yapar. Kontroller genel olarak, genişliğe göre eğim gösteren değiştirici (PWM) jeneratör (Şekil 2.11), dijital sinyal işlemcisi, analogtan dijitale çeviren çeviriciler ve anti - alizenik filtrelerden oluşmaktadır. Algılayıcılardan alınan gerilim doğruca anti-alizanik filtrelerden geçirilerek bu sayede sinyallerde oluşan yüksek gerilimler atılır. Yüksek gerilimler ses dalgası oluşturmakta ve bu ses dalgası şaftın hatalı bir konumda durmasını sebebiyet verebilmektedir. Ek olarak kontrolör, bu sinyali periyodik olarak örnek teşkil etmesi amacıyla yayınladığı için, yüksek frekans bilgilerinin bazısı düşük, hatalı frekans olarak kontrolör içine alınabilmektedir. Bunun için diğer adıyla bilgi danışmanı olarak bilinen kontrolör tarafından cevaplanmaktadır. Yüksek frekansın uzaklaştırılmasından sonra anologtan dijitale çeviren sayısal dönüştürücü (A / D) tarafından pozisyon sinyali, örnek olarak gönderilmeye başlanır. Belki bir forma sahip voltaj sinyalleri, dijital sinyal işlemcisi tarafından işlemi gerçekleştirilebilir. Bu üretim sonunda şaftın hatalı olan pozisyonunun düzeltilmesi için gerekli, orantılı bir çıkış yapılarak işlem gerçekleştirilmektedir. Bu işlemler gerçek yatak hareketleyicisine benzetilmekte olup, bu iletileri sezinlese dahi filtrelenir ve A / D sayısal dönüştürücüsü tarafından örnek olarak yayınlanır. Bu gerçek ve güncel olan sistem arasındaki hata PWM sinyali olarak tanımlanarak amplifikatöre gönderilir. Bu gönderilen bilgi genşliğine göre eğilim gösteren frekans değiştirici (PWM) bobinlere gönderilerek PWM dalgası oluşturulur, buradan da bu dalgalar amplifikatörlere gönderilir. Bu yapılan güncel istek doğrultusunda yapılacak olan kontrol dağıtımı şafta aldırılan sonraki pozisyondan önce, daha iyi olmalıdır. Bu sinyal gönderimi ile yapılan kontrol dağıtım işlemi 10kHz hızında gerçekleşmektedir.

3.5.3. Amplifikatörler

Her yatak, bobinlerinin ve rotor boyunca herbir eksen pozisyonun hatasız olarak sağlanması, çekici kuvvetlerin meydana getirilmesi için birkaç amplifikatöre sahiptir. Temel olarak amplifikatörler voltaj anahtarlarından oluşur. Bunların yüksek frekanslarda açılıp kapatılması ve komut edilmesi kontrolör tarafından sağlanmaktadır.

3.7. Rotor Dinamikleri

Makine operasyonlarından geçirilen bir manyetik yatak sisteminin gösterdiği performans ile sensörlerin yerinin tayin edilmesi gibi etki eden faktörlerin en iyi şekilde ifade etme, rotor sisteminin incelenmesine olanak sağlamaktadır. Yapılan yeni incelemeler; 'Bu sistemden nasıl daha verim alabiliriz?', 'En iyi faydayı nasıl sağlarız?' gibi sorulara yanıt vermektedir. Yapılan bu araştırma sonuçları hoşnut edici olmaya başladığında, manyetik yatak ve kontrol sistemlerinin etkileri tanıtılarak daha detaylı analiz sonuçları alınmaya başlanmıştır. Bu test sonuçları ve daha kalıcı bilgilerin ortaya çıkartılması art arda yapılan testler sayesinde rotor hakkında sonuçlar bulunabilmektedir.

3.8. Yardımcı İniş Sistemi
Sonuçta şöyle bir kanıya varabiliriz 'Manyetik yatakta güç kaybı var ise bu kayıp ne oluyor?' Kutuplar, manyetik yatak statorları üzerine rotorun dışına kadar kaplanıp, makine yüzeyine dikkatli bir biçimde işlenmektedirler. Usulde, yataklarda ki bu yüzeylerde güç kaybının korunması yardımcı iniş sistemi ile bağlanmaktadır. Her konvensiyonel kaymalı yataklarda, ya da pasif inişli plakalarda tipik olarak bu kullanımlar mevcuttur. Hareket elemanına emniyet mesafesi bırakılması ½ gibi bir orandır. Sonuçta şöyle bir kanıya varmamız mümkündür; dönüş esnasında güç kayıpları yardımcı bir sistem tarafından tutulmaktadır. Bu sebepten dolayı yataklar bazen destekleyici, tutucu ya da duran yataklar olarak da adlandırılmaktadır.

6 - MANYETİK YATAKLARIN AVATAJLARI ve DEZAVANTAJLARI

6.1. Manyetik Yatakların Avantajları

1. Manyetik yataklarda şaft, yatak içinde bağımsız olarak havada asılı kaldığından dönme esnasında sadece hava ile teması söz konusudur. Bu yüzden mekaniksel sürtünmeye maruz kalmaz .
2. Manyetik yataklar temiz bir çevre için kullanımında herhangi bir ters unsur içermemektedir. Yağlama sistemlerinin olmayışı, yağın ısınmasından meydana gelen yağ buharlarının da oluşmaması, buna bağlı olarak da havaya ve yatağın kendisi için kirlilik oluşturmaz . Bu sebeplerden dolayı bakım gerektirmez.
3. Yüksek hızlara kısa bir sürede ulaşabilirler ve bu hızlarda verimli olarak çalışırlar. Oldukça yüksek rotor hızına sahiptirler. Şaft yatağının boyutları da çok büyük ölçülerde olduğu gibi, çok küçük ölçülerde de yapılabilmektedir.
4. Sürtünmeden dolayı meydana gelen kayıplar normal konvensiyonel yataklara nazaran 5 - 20 kat daha az olması sebebiyle yapılan parasal sarfiyatlar oldukça azdır. Fazla bakım istemez. Mesela kullanılan sensörlerin her 10 yıl da bir bakımı yapılır.
5. Mekanik sürtünmenin olmayışı bir açıdan yapılan bakım harcamalarının olmayışı anlamına gelmektedir.
6. Boyut bakımından her türlü büyüklüklerde üretilebilmektedir. Üretilen yatak ağırlıkları, 1gr. - 45400gr. arasında değişebilmektedir. Tasarlanan şaft yatağı, (minumum 75 psi (50 kPa)) yüksek kuvvetleri kaldırabilecek düzeydedir.
7. Yatak kontrol sistemleri, manyetik yatağın yüksek hızda yapacağı balanssızlığı otomatik olarak ayarlar ve tehlikeli durumlarda yine otomatik olarak durdurur. Bu nedenle tehlike arz edecek her durum kontrol altına alınmıştır.
8. Titreşim yok denecek kadar azdır. Bu yüzden sessiz çalışırlar .
9. Manyetik yatak ile motorun boş çalışma güç kayıplarında %15 lik bir azalma görülmektedir.

6.2. Manyetik Yatakların Dezavantajları

Diğer yataklarla karşılaştırma yapıldığında manyetik yatakların dezavantajları oldukça azdır. Bu dezavantajlar da manyetik yatakla birlikte kullanılan devrelerin karmaşıklığından ileri gelmektedir. Bunlar;

1. Kullanıldığı sistemler itibari ile oldukça yüksek maliyetlere sahiptirler.
2. Normal yataklarla karşılaştırıldığında, daha karmaşık bir yapıya sahiptirler.
3. Şaftın ilk konumda dengeye alınması oldukça zahmetli ve uzun süren bir süreç gerektirir.
4. Manyetik yatağın üretimine geçilmeden önce protopinin geliştirilmesi için normal üretimine harcanan süre kadar bir süreye ihtiyaç vardır.

7 - UYGULAMA ALANLARI ve YENİ YATIRIMLAR

7.1. Uygulama Alanları

7.1.1. Tıp

Manyetik yatak tasarımlarını tıp alanında kalp üzerinde yapılan çalışmalarda görmekteyiz. Bu alanlarda da, suni kalplerde yaygın olarak bilinen sol - karıncığa ait yardımcı devre (LVAD) için tasarımları yapılmaktadır. Bu uygulamada manyetik yataklar yüksek emniyete sahiptir. Tasarlanan pompa geometrisinin biyolojik olarak insan vücuduyla uyum içersinde olması, manyetik yatağın bu alanda kullanımını arttırmıştır.

7.1.2. Endüstri - Sanayi

Manyetik yataklar, yüksek devirli makinelerda kullanışlı bir alana sahiptir. Manyetik kuvvetlerin tasarımı olarak bilinen bu yatak sistemleri, yüzeysel kesiciler ve un ve su değirmenlerinin dönen sistemlerinde uygulanabilmektedir. Diğer uygulamalar olarak da turbo - makine sistemleri ve yüksek hız motor yataklarında (gaz kompresörleri) yaygın olarak kullanılmaktadır.

7.1.3. Ulaşım - Taşıma

Manyetik yataklar, Almanya Messerchimitt - Bolkow - Blohm tarafından yapılan 'KOMET' araçları gibi kritik bir teknoloji alanında tasarlanmaktadırlar. KOMET olarak adlandırılan bu proje içersinde bir trene uygulanan manyetik yatak sistemi sayesinde trenin hızı 360 km / h' ye kadar çıkabilmektedir. Aynı tür kullanım Japonya' da yürütülen hızlı tren projesinde de uygulanmaktadır.

7.1.4. Uzay Endüstrisi

Manyetik yatakların yüksek emniyet sağlaması sebebiyle uzay endüstrisinde kullanımları oldukça yaygındır. Bu tür uygulamalarda yataklar daha çok uyduların momentum tekerleri üzerinde kullanılmaya başlanmıştır. Burada amaç uyduların uçuş - tekerleri' ne enerjinin depolanmasıdır. Böylece manyetik yataklardan oldukça yüksek verim alınmaktadır.

7.1.5. Vakum ve Temizlik Alanında - Çevresel Temizlik

Manyetik yatakların, mekaniksel faktörlerden etkilenmemesi ve yağlama gereksinimi olmamasından dolayı, çevreyi koruma amaçlı ve doğal temizleyici olarak birçok alanda olduğu gibi temizlik alanında da kullanımı oldukça yaygınlaşmıştır.

8 - MANYETİK YATAKLARIN DİĞER YATAKLARLA KARŞILAŞTIRILMASI

8.1.Genel Olarak

Manyetik yataklar şu anki bulundukları konum itibariyle, endüstride kullanılan birçok yatak sistemlerinden neredeyse %100' lük bir avantaja sahip olmaktadırlar. Sahip oldukları ileri teknoloji, sürtünme ve aşınma, yağlamanın olmayışı manyetik yatakları tamamiyle üstün konuma getirmektedir.

8.2. Rulmanlı Yataklarla Karşılaştırılması

1. Rulmanlı yataklar çok sağlam yapıda olmadıkları için, fazla zorlanan ve vuruntulu çalışan muylularda başarıyla kullanılmazlar. Manyetik yatakların yüksek güç isteyen vuruntulu yerlerde (ör: gaz tribünleri) kullanımı elverişlidir.
2. Rulmanlı yataklarda yağlanma bulunduğundan ve toza karşı çok hassas olduklarından tozlu yerlerde kullanılmaları doğru değildir. Manyetik yataklarda yağlama sistemi bulunmaz bu sebepten her ortamda rahat çalışırlar.
3. Rulmanlı yataklarda muylu yuvalarına geçirilirken çok dikkatli olmayı ve ince alıştırmayı gerektirir. Manyetik yataklarda şaft havada asılı kaldığı için bu sorun ortadan kalkmıştır.
4. Rulmanlı yataklar çok sesli çalışırlar. Manyetik yataklarda titreşim yok denecek kadar azdır. Bu yüzden sessiz çalışırlar.
5. Rulmanlı yataklar mekaniksel faktörlere kolaylıkla maruz kalabilmektedir (sürtünme ve aşınma). Manyetik yataklarda sürtünme (sadece hava ile) ve aşınma gibi mekaniksel olaylar yoktur.

8.3. Kaymalı Yataklar ile Karşılaştırılması

1. Kaymalı yatakların iç yatak gereçleri aşınmaya karşı gösterebildikleri direnç ile doğru orantılıdır. Mesela kaymalı bir yatakta iç gereç olarak çok fazla kullanılan malzemeler metal, kalay, bakır, antimuan ve kurşun alaşımıdır. Manyetik yataklarda ise önemli olan unsur ferromanyetik malzemelerin seçimidir.
2. Kaymalı yataklar bilindiği gibi şaft, muylu ya da mil - yatak yağlanmış durumda iken çalışabilmektedir. Bu yüzden kullanılan yerlerde yağ kirliliği söz konusu olabilmektedir. Manyetik yataklar çevreyi kirletme açısından tamamiyle çevre ile dosttur.
3. Kaymalı yataklarda çok yüksek hızlar elde edilemez. Manyetik yataklar yüksek hız gerektiren yerlerde rahatça kullanılabilir.
4. Kaymalı yataklarda titreşim yüzünden zamanla yatak cıvataları gevşeyebilmektedir. Bu yüzden titreşim önemli bir sorundur. Manyetik yataklarda titreşim tamamiyle etkisiz hale getirilmiştir.