Orta güçlü bir girdap akımı freni tasarımı ve sonlu elemanlar yöntemi ile analizi

Abstract

Girdap akımı frenleri mekanik enerjiyi ısı enerjisine dönüştüren sistemlerdir. İletken bir disk zamanla değişen manyetik akı yoğunluğuna maruz kaldığında iletkenin içinde akımlar akar. Bu akımlar kendi üzerinde kapanan akımlar olduğu ve malzeme içinde ortaya doğru çukurlaşacak şekilde dağıldığından girdap akımları adı verilir. Sistemde var olan mekanik enerji, girdap akımlarının karesi ve iletken malzemenin iç direncinin çarpımı ile harcanır. Girdap akımları akmaya başladığında kendisini oluşturan manyetik alana karşı yönde bir manyetik alan oluşturur. Bu iki manyetik alan şiddeti arasındaki ilişkiden frenleme kuvveti ortaya çıkar.Bugüne kadar girdap akım frenlerine dair pek çok çalışma yapılmış olsa da bu fren sistemlerinin manyetik olarak pek çok problemi barındırdığı aşikârdır. Yapılan çalışmalar sonucu ortaya pek çok analitik ifade ve matematiksel model ortaya konmuştur. Ancak yapılan incelemeler dar bir hız aralığında elde edilen analitik ifadelerden oluşmaktadır. Bu modellerden en çok öne çıkanlar Smythe, Schieber ve Wauterse?nin modelleridir. Bu analitik ifadeler elde edilirken çok fazla ihmal yapıldığından, kutuplar üzerindeki manyetik akı yoğunluğu çok basite indirgendiğinden, malzemenin doyması önemsenmediğinden ve en önemlisi endüvi reaksiyonunun hesaba katılmamasından dolayı elde edilen ifadelerin geniş hız aralıklarında doğru sonuçlar vermesi beklenemez. Modeller endüvi reasiyonunun ihmal edildiği doğrusal moment bölgesinde geçerlidir. Kurulan matematiksel modeller ya da yapılan analitik hesaplamalar girdap akımı frenlerinin fiziksel olgusunu anlamak ve bir takım tasarım koşulları belirlemek için ortaya konulabilir. Halen piyasada rastlanabilecek ticari frenlerin bilimsel detayları ticari kaygılar sebebi ile akademik çalışmalarda yer almamakta ve literatürde giriş ve çıkış büyüklüklerini birbirine bağlayan matematiksel ifadeler bulunmamaktadır.Mekanik, elektriksel ve manyetik olayları içeren karmaşık bir sistem olması sebebi ile sistemin zaman bölgesinde incelenmesi fazlası ile zordur. Bu sebeple yazılabilecek durum denklemleri üzerinden sistemin cevabını görmek nerede ise imkânsızdır. Bu sebeple elde edilecek tasarımların benzetiminin yapılması ve hesap kolaylığı açısından Sonlu Elemanlar Yöntemi gibi sayısal yöntemlerin kullanılması gerekliliği ortaya çıkmaktadır.Giriş ve çıkış büyüklüklerinin birbirine olan ilişkisi üzerinde tasarım işletme büyüklüklerinin etkisi vardır. İletken diskin geometrik, manyetik ve elektriksel özellikleri ile akıyı oluşturan kutuplar, bunların sayısı ve akıyı taşıyan hava aralığının boyu dışında akının iletken diski kesme hızı da oluşturulacak fren kuvveti üzerinde etkiye sahiptir. İletken diskin elektriksel iletkenliğinin artması fren sisteminde en yüksek frenleme momentinin artmasına ve kritik hız değerinin azalmasına neden olmuştur. İletken disk kalınlığının kalınlığının artması diskin elektriksel direncini artıracağından dolayı en yüksek frenleme momenti azalmış, kritik hız değeri de xxazalmıştır.