9 - YENİ YATIRIMLAR ve ARAŞTIRMALAR

9.1. Genel Olarak

Manyetik yatakların her türlü endüstri alanında kullanılır olma özelliğinin farkedilmesi ile bu alanda birçok çalışmalar yapan araştırmacılar her geçen gün bu yatak sistemini farklı alanlara uyarlamaktalar. Bu araştırmaların sonuçları incelendiğinde memnun edici olduğu görülmektedir.

9.2.NASA - Yüksek Sıcaklıklarda Kullanılmak Üzere Manyetik Yatakların Gaz Türbinleri İçin Geliştirilmesi

9.2.1. NASA Lewis - 1000°F - 1200°F Sıcaklıklarda Manyetik Yatağın Test Edilmesi
Nasa Lewis araştırma merkezi ve U.S hükümetinin yeni araştırma projelerinden bir tanesi manyetik yataklardır. NASA / U.S. ordusu, gaz türbinlerinin gelecekteki uygulama alanları dikkate alarak, bu makinelerin yüksek sıcaklıklarda kullanımı için uygulamalar başlattılar. Şekil 9. NASA / Lewis Manyetik Yatak Test Ünitesi:

Şekil 9.1. NASA / Lewis Manyetik Yatak Test Ünitesi

1999 yılında tamamlanan çalışmalar sonucunda önemli burgular elde edilmiştir. 'Allison Engine Company'ile işbirliği yapılarak yüksek sıcaklıklardaki manyetik yatakların çalışması ele alınmıştır. Bu test esnasında tek problem konvensiyel tasarımların korunması olmuştur. Lewis'in esnek - duyarlı test makinesi yüksek sıcaklıklara dayanan manyetik yatak için değiştirilmiştir (Şekil 9.1). 1997'nin üçüncü yarısında başlatılan test sonucunda DN değerleri, yüksek sıcaklık kontrolü, tabakaların kaplanması, fiber kuvvetlendiriciler, yüksek sıcaklıktaki tel yalıtımlarının geliştirilmesi asıl parametreler olarak ele alınmıştır.

9.3. Elektromanyetik Yataklar - Suni Kalp Pompası Prototipi

Manyetik yatakta, geliştirilen suni kalp projesi çerçevesinde bir prototip oluşturularak (CF3), su ve kan kullanılarak değişik çaplarda (pompa) başarılı olarak gerçekleştirilen bir test yapıldı. Tahminen pompa 1.6inc. boyunda, 4 inc çapındadır. Bu yeni üretilen devre insanlara kalp yardımcı devresi olarak yerleştirilebilmektedir.

Pompadaki manyetik yatakta;
1-) İtici kısım giriş / manyetik moment, bölündüğünde 8 bölüntü,
2-) Boşaltma radyal kısmı / itici yatak bölündüğünde dahi yine 8 bölüntü elde edilir.

Bu durum itici yatak merkezindeki geçiş mesafesinde, yatak performansının iyi olmasını sağlamaktadır. Bunun en önemli sebebi pompanın tek yönlü çalışması olarak tanımlanabilir. CF3 yatak formları ilk aşamada birçok malzemenin karışımı olarak yapılmaktaydı. Kullanılan bu alaşımlar ise birçok problemleri de beraberinde getiriyordu. Bu yüzden yeni malzemeler geliştirilerek yeni tip materyal bulundu. CF3 sisteminin bütün unsurları şu an silikon esaslı demir ile yeniden yapılarak bu problemlerin önüne geçilmiştir. Yeni tür malzemeden yapılan bu küçük yataklara yüklenen kapasite arttırılabilmektedir. Bu şekilde tekrardan üretilen manyetik yatak sistemli CF3 prototipi, rahatlıkla kalp pompası olarak kullanılabilmektedir. Yatak akış karakteristiklerin, yatak içinde yer alan bobinleri, sensörleri vb. pompa operasyonlarının altında tanımlanması zihinleri karıştıracak düzeyde olmasına yeterliydi. Böyle bir durumda ise ortaya çıkan tek sorun kullanılan devrelerin karmaşık oluşudur. Bunu ön planda tutan tasarımcılar prototipi tekrardan geliştirme aşamasına soktular. A / D ve D / A kartlar ve ciplerle yeniden geliştirilen TI C60 pompa serisi, ileri kullanımlar için uygun bulundu. Bu yeni kontrolör tahmini bir ders kitabı büyüklüğünde olacaktı. Bu prototipin yatak sisteminde kullanılan ileri kontrol iticileri sayesinde pompa performansı, akışın değişimine göre iticilerin ters yön almasını sağlayarak durumu kontrol altına alabiliyordu. Bu da istenen bir durumdu. Bu projenin geliştirilmesi ve sponsorluğunu Medquest Products, Inc. şirketi üstlenerek, Artificial Heart Lab. of Utah' da uygulamaya koyuldu.

9.4. Manyetik Yataklarda Rotorlar için Kaymalı Yol Kontrolörü

Rotor üzerindeki bir denge kirişinin doğrusallığı için geliştirilmiş bir allogaritmik kontrolördür. Yapılan bu detaylı çalışmada amaç, karışık bir basamak durumunda bulunan manyetik yatak rotor kiriş sisteminin, şaftın durağan halde havada asılı kalması durumundaki limitlerinin belirlenmesidir. Bu aşama sonunda 5 serbestlik derecesine sahip bir suni kalp pompası modeliyle yapılan araştırma başarıyla tamamlanmıştır (Şekil 9.2).

Şekil 9.2. Üretimi Tamamlanmış Manyetik Yatak

9.5. Manyetik Yataklarda Sonlu Elemanlar Metoduyla Kayıpların Hesaplanması

1. A2-D Sonlu elemanlar bilgisayar kodları manyetik yatak konfigurasyonları için geliştirilen bu teknik, rotordaki güç kayıpları, asılı kaldığı sürece oluşturduğu girdaptan dolayı manyetik yatak malzemelerinin bu etkilere karşı gösterdiği tepkilerinin hesaplanmasında kullanılmaktadır (Şekil 9.3). Modelde kullanılan inceltilmiş etkilerin bir eksenel iletkenlik doğurduğu anda, ölçümlerin sağlıklı bir şekilde belirlenmesi için değerler hesaplanır. Materyalin bu etkilere doyduğu anda kodların verilmesine başlanır.
2. A3-D Sonlu elemanlar bilgisayar destekli kod üretimi hala geliştirilme aşamasındadır. Manyetik yataktan kopan demir kayıplarının hesaplanmasında kullanılma amacını içermektedir. Bu model hem özdeş olmayan, hem de özdeş yataklarda yeterli derecede kullanılmaktadır. İlk olarak rotorun bir modeli yapılarak analitik olarak çözümü ile manyetik vektörlerin yeterliliği hesaplanabilmektedir.

Şekil 9.3. Bilgisayar Destekli Test Ünitesi

9.6. Test Ünitesi - Manyetik Yatak Kontrolü

Düşey düzlemde çalışacak manyetik yatak kontrol test ünitesi hala geliştirilme aşamasındadır. Bu sistemde kullanılmak üzere üç yatak bulunmaktadır. Bunların ikisi normal manyetik yatak ve üçüncü ise bunları hareketlendirebilecek ana tahrik kaynağı ve buna ait olan normal bir yataktır. Rotor modellenerek küçük bir test ile karakteristik özellikleri geniş olarak incelenmiştir. Gerek rotorun havada asılı kalması gerekse manyetik yataktaki durumu hala inceleme aşamasındadır. Bu işlemler için; sistemin işlemesi, manyetik yatak x, y yanal konumunun belirlenmesi, eksenel manyetik kontrolörü ve manyetik dengeleme sistemine ayarlanması gerekmektedir. Bu projenin sponsorluğunu NASA Goddard ve American Flywheel Systems yapmaktadır.

9.7. Manyetik Yatak Sistemli Motorlar

Manyetik yataklar, motorlar üzerinde çok sınırlı bir uygulama alanlarına sahiptir. Sessiz ve temiz olmaları motorlar üzerine tasarımlarını sağladı. Bu sayede yapılan çalışmalar sonucunda bir manyetik yatak sistemine sahip bir motor sistemi geliştirildi. Belirtilen sistem iki fazlı bi- polar DC temizleyicisidir. Bir ekmek tahtası modelli elektronik devreleri, üç pozisyonlu bobinleri tersine çevrilerek, rotor saat yönü ve saat yönünün tersine çevrilerek örnek olarak test edilmiştir. 2000 dev/dak. rotor hızına sahip bu model bu yöndeki uygulamalar için daima hazır bulundurulur. Farklı bir temizleyici sisteme sahip rotor bu yöndeki araştırmalar için daima hazır bulundurulmaktadır. Bu sistem tamamiyle analog ve dijital çevirici devrelerin karışımı ile tasarlanmıştır. Rotorun analizi için sonlu elemanlar metodu kullanılmıştır.

9.8. CNC Dikey İşleme Merkezinde Kesme Esnasında Meydana Gelen Takım Yolu Hatalarının Manyetik Yatak Sistemi ile Belirlenmesi

9.8.1.Genel Olarak

Rotor kanallarının daha verimli bir şekilde üretim için geliştirilmiş olan mikrodalga yardımcısı Şekil 9.4'de gösterilmiştir. Bu yardımcı manyetik toplayıcı olarak çalışmaktadır. Burada uygulanan ikincil talaş alma işlemi işlemden atılmış, bu sayede mil hızı ve tabla ilerlemesi yükseltilerek operasyon cazip hale getirilmiştir. Yüksek hızlarda işleme aşamasına zaman zaman da olsa geçilmiştir. Manyetik yatak kullanılarak, dikey frezeleme işleminde olduğu gibi bir test ünitesi oluşturulmuş örnek iş parçası üzerinde testler yapılmıştır. Yüzey bitirme işlemleri ve toleranslar korunarak limitler dahiline uyulmuştur. Uygulanmakta olan bu test Cinninatti Milacron, Westinghouse ve Manyetik Yatakları kapsamamaktadır. Standart ölçüler kullanılarak belirli ilerleme ve hızlarda yapılan karşılaştırmaların amacı, takım yolu hatalarının düzenlenip mili kontrol altına almaktı. Burada yer alan takım yolları hataları parmak
Freze çakısı ile rotor kanallarının işlenmesi esnasında son talaş için adresler belirlenerek kontrolü yapılmaktadır. Takım yolu hatalarının kontrolü için manyetiksel asılı milin kullanımı dikkate alınarak, yüksek hızlarda frezeleme çerçevesinde incelemeler sürdürülmüştür.

Şekil 9.4. Mikrodalga Yardımcısı (Westinghouse Şirketi tarafından geliştirilmiştir)

9.8.2.Takım Yolu Hataları

Takım yolu hataları Şekil 9.5'de olduğu gibi 3 eksende gösterilebilmektedir. Hataların CNC makinelerinde yapılan işlemlerde olduğu gibi ilk girilen takım yolu tanımlamaları ile son konumu arasındaki farklar takım yolu hataları olarak açıklanabilmektedir. Bir başka ifadeyle; CNC' de başlangıç noktası verilerek takım sıfırı tanımlandıktan sonra işleme için gerekli kodların girilmesi ile parça işlemeye başlanır. Bu tanımlamaları yaparken birbirleriyle oluşan mesafe farklılıkları takım yolları hatalarını doğurmaktadır. Mil kontrolünde ise mildeki ufak bir çarpıklık oldukça büyük hatalara sebebiyet verebilmektedir.

Şekil 9.5. Takım Yolu Hataları

Bu hataları 4 gruba ayırmak mümkündür :

1. Belirleyici pozisyon hataları
2. Isı kökenli deformasyon
3. Kuvvet ağırlıklı deformasyon
4. Kesme kuvveti deformasyonları

Şekil 9.6'da gösterildiği gibi bu hataları üç tipte inceleyebiliriz. Bunlar, statik belirleyici, dinamik belirleyici ve stokastik hatalardır. Belirleyici pozisyon ve dinamik hatalar tekrarlanabilir hatalardır. makine takımında yapısal olarak verilmiş, giriş parametreleri ayarlandığında tekrarlanacak olan hatalardır. Stokastik hatalar, diğer el üzerinde makineye girişler yapıldığında verilen hata değerleri gibi tanımlanabilir. Esasen stokastik hatanın temeli yüzey pürüzlülüğünden ve bu pürüzlü yüzeylerin işlenmesinden meydana gelmektedir.

Şekil 9.6. Hataların Sınıflandırılması

9.8.3. Manyetiksel Kontrollü Miller

makine takımları için kullanılan manyetik miller tam anlamıyla deneyseldir. Uzunca süren bir deney aşaması sonucunda ortaya çıkarılırlar. Fransa'nın Mecanique Magnetique (S2M) topluluğu tarafından bu makine takımları için kullanılan millerin geliştirilmesi ve üretimi gerçekleştirilmektedir. Frezeleme amaçları içeren bu manyetik millerin üç değişik modeli günümüzde mevcuttur. Bu üç model yaklaşık 20-34 BG, rotor hızları 30.000 - 60.000 dev/dak arasında değişen sistemlerde rahatlıkla kullanılmaktadır. Manyetik miller bilindiği gibi etkileşimsiz, serbest bir manyetik ortamda dönebilecek durumlar için tasarlanmaktadır. Şekil 9.7'de manyetik mil ve yatak unsurları gösterilmiştir. Operasyon esnasında manyetik eksenlerle asılı kalan mil şaftı herhangi bir mekaniksel etki ile karşı karşıya gelmemektedir (pozisyon belirleyici sensörler bu şaftın etrafına sıralanmıştır).

Şekil 9.7. Manyetik Yatak Elemanları

Sensörlerden alınan bilgiler kontrol ünitesi tarafından korunmakta ve şaftın bu pozisyon ölçüleri elektro manyetik bobinler tarafından çeşitli aşamalarda düzeltilmektedir (şaftın eksenden kayması durumunda üretilecek karşı manyetik kuvvetler gibi). Bu yüzden şaftın gerçek konuma dönme esnasında bile merkez konumundadır. Kütle merkezi geometrik eksenden sapsa bile manyetiksel mil şaftı her durumda kütle merkezi etrafında döndürülebilir. Önemli bir durumda mil şaftı ±0.005 inc ve 0.5° gibi konumlarda ekseninden çevirtilebilir. Bu da mil sisteminin performansında herhangi bir düşüş etkisine sebep olmaz. Manyetik olarak millerin, kontrol edilmesinin özelliği takım yolları hatalarının düzeltilmesinde önemli bir etkiye ve manyetik millerin tasarlanmasında önemli derecede avantajlara sahip olmasıdır. Bu da takım yolları hatalarının düzeltilmesi alanında kendini göstermektedir.

Bu avantajlar;
1. 3 ölçülü pozisyon sensörlerinin yapılması kesme işlemlerine karşı kontrolün sağlanmasına yardımcı olur.
2. 3 ölçülü pozisyon sensörlerinin yapılması, kesme işleminin kontrolü için kullanılabilmektedir.
3. Çevrimin gerçekleştirilmesi ve mil şaftının eğilmesi (hava aralığının sıfırlandırılması) ile takım yolu hataları sıfıra indirilebilmektedir. Bu uygulanabilirlik kesme esnasında meydana gelebilecek belirleyici ve stokastik hataların minumuma indirilmesinde yardımcı olur.
4. Yüksek hız gerektiren yerlerde dahi kesme kuvvetlerinin azaltılması ve bitirme işlemlerinin düzeltilmesi sağlanabilmektedir.
5. Milin sertlik derecesinin ayarlanmasında (genel kontrol için etkili olan) etkili bir kontrol içerir.
6. Yüksek kesme hızına sahip malzemelerde ilerleme miktarı (tabla hızı) yükseltilebilmektedir.

Mesela 10 mm çapında bir parmak frezeleme işleminde parçanın yüzey kalitesi çok iyi kalitede olması isteniyor. Bu durum için normal de yapılacak olan tezgah devir sayısı, malzemenin kesme hızına oranla yüksek tutulur. İlerleme miktarı ise çok azdır bu sayede parça üzerindeki pürüzlülükler mümkün olduğu kadar azaltılır. Bu işlemde dezavantaj olarak işleme zamanı artmaktadır. Fakat kullanılacak olan bir manyetik yatak sistemi sayesinde yüksek devirler ilerleme ile birlikte kullanılabilmektedir. Manyetik yatak kontrol ünitesi parça üzerinde yer alan pürüzlülükleri manyetik milin gösterdiği tepkiye göre hissedecek ve devamlı olarak bunlara karşı kuvvetler oluşturacaktır. Tabiki sonuç olarak kaliteli hassas bir yüzey, yüksek ilerleme ve yüksek devir sayıları.