ELEKTRİKLİ ULAŞIM SİSTEMLERİNİN BÜYÜK HIZLARA ULAŞMASIYLA YENİDEN DEĞER KAZANAN DOĞRUSAL MOTORUN ÖNEMİ VE YAPISI

ELEKTRİKLİ ULAŞIM SİSTEMLERİNİN BÜY ÜK HIZLARA ULAŞMASIY LA Y ENİDEN DEĞER KAZANAN

DOĞRUSAL MOTORUN ÖNEMİ VE Y APISI atıf ural

ÖZET

Bu yazıda? elektrikli ulaşım sistemlerinin büyük hızlara ulaşması nedeniyle doğrusal elektrik mo torlarının önemi ve türleri kısaca anlatılmıştır.

SIMMARY in this articleı because the electrical trans portations systems have obtained very high speeds, the importance and the types of linear electric motor s are briefly explained.

UDK: 621.333 : 621.313.282

1. GÎRÎŞ

Son zamanlarda elektrikli ulaşım sistemlerinde büyük hızlara erişildiğinden, 20. yüzyılın baş langıcından beri bilinen fakat pek kullanılmayan doğrusal (lineer) motor yeniden değer kazanmış ve üzerinde en çok tartışılan bir elektrikli tah rik öğesi olmuştur. Bu bakımdan teknik yazında "elektrikli doğrusal motorlar"la ilgili kaynaklar oldukça sınırlıdır ve bu konuda yazılanlar genel likle birbirini tamamlayıcı niteliktedirler. "Elektrikli cer"in kapsamına da giren doğrusal motor ile ilgili bu çalışma iki bölümü içermekte dir. Birinci bölümde "doğrusal motorun yapısı", ikinci bölümde de "çalışma ilkeleri, nitelikleri ve kullanıldıkları yerler" incelenmektedir. Bu in celemenin sonucunda, doğrusal motorun, elektrikli ulaşım sistemleri ve genel olarak elektrikli cer alanında çok önemli bir buluş olduğu görülecektir. Gün geçtikçe güçleşen ulaşım sorunlarını çöz mede bugün üzerinde ortaklaşa çalışmalar yapı lan alışılmış (konvansiyonel) olmayan elektrikli uzak ve yakın mesafe ulaşım sistemlerinin (örne ğin; transrapid, transurban, H Bahn vb.) gelişti rilmesinde, büyük ulaşım güçlerine erişilmesinde "doğrusal motor" en önemli öğedir (1).

Atıf Ural, Doç.Dr., İTÜ Elk.Fak.

2. DOĞRUSAL MOTORUN ÖNEMİ

Elektrikle tahrikte, elektrik enerjisinin mekanik enerjiye dönüşümü dönme hareketi yapan elektrik motorları yardımıyla gerçekleştirilir. Oysaki tahrik tekniğinde genellikle doğrusal hareketler le karşılaşılır. Bu durumlarda, motorun milinden alınan mekanik güç tahrik kuvveti olarak, elek trikle tahrik sistemini oluşturan motor ve iş makinesi arasına konulan ara öğeler ile (örneğin; dişli takımı, tambur vb.) doğrusal harekete dö nüştürülür. "Doğrusal hareketi yapabilecek elek trik motorları gerçekleştirilemez mi?" düşüncesi nin sonucunda, elektrik motorunun ürettiği meka nik enerji, bir dönme hareketine gereksinme ol maksızın, doğrusal hareketlerde kullanılabilmiş tir. Burada şu soru sorulabilir, niçin doğrusal elektrik motoru, içinde yaşadığımız çağın başlan gıcında bilindiği halde bugüne kadar "elektrikle tahrik"te ve özellikle "elektrikli cer"de çok dar bir alanda kullanılmıştır ? Bunun çeşitli ne denleri vardır, bunlar da özet olarak şöyle sı ralanabilir (2):

1. Kuvvet ve hız ayarı olanağının sınırlılığı. 2. Dişli takımı ve tekerlek düzenli dönen motorlu tahrik sistemlerinin yerine başkasının konul masına gerek olmaması. 3. Elektrikli cer tekniğinde; tekerlek ile ray arasındaki sürtünme katsayısı ve bununla ilgi li düzen nedeniyle, ancak 300 km/s'lik hızlara erişilmesi ve bunun da bu zamana kadar yeterli olması.

Daha iyi teknik çözümlere kavuşabilme çabası yeni teknik düzenlerin araştırılmasını gerektirir. Bu nedenle doğrusal hareketleri gerçekleştirmede ye niden doğrusal motora dönülmüştür. Modern ayar tekniği ve güç elektroniği bugün bize tümleşik (entegre) devreler ve tristorlar ile çok güçlü ve az yer tutan devre öğelerini verebilmektedir. Böy lece denetim tekniğinin zorluklarının büyük bir bölümü ortadan kaldırılabilmektedir. Elektrikli çerdeki artan hızlar nedeniyle, daha büyük güçle rin yerleştirilmesi gerekmektedir. Bugün 300 km/s* lik hızların üzerinde, saatte 500 km'ye ulaşan hızları gerçekleştirebilecek düzenler üzerinde ça lışılmaktadır. "Havalı" yada "manyetik yastıklı" elektrikli ulaşım sistemlerine geçildiğinde, kuv

vet iletiminde pratik olarak en iyi çözümü yalnız ca "doğrusal motorlu elektromanyetik sistem" ver mektedir. Elektrikle tahrikte de yakın zamana kadar yaklaşık 1 m/sn'lik düşük hızlı ve kesinti li yada darbe biçiminde yüksek cer kuvveti gerek tiren yerlerde doğrusal motor kullanılmış ve ilerde de kullanılacaktır.

3. DOĞRUSAL MOTORUN YAPISI

Döner elektrik makinelerinin silindir biçimindeki stator ve rotorları eksen doğrultusunda kesilip düzlemsel olarak yayılırsa bir doğrusal elektrik makinesinin genel biçimi elde edilir.

3.1. Doğrusal Motorun Türleri

Döner elektrik motorlarında olduğu gibi bu motor lar da; doğru akım, senkron ve asenkron doğrusal motor olarak üç gruba ayrılırlar.

3.1.1. Doğrusal doğru akım motoru

Bu motorun elektrikli tahrik tekniği yönünden ge nel olarak bir anlamı yoktur. Yapımı, gerekli akım devresi için masif reaksiyon rayı üzerinde kayan kontakları gerektirir. Bu ise alçak geri limli bir işletmenin sorunlarını içermektedir. Do layısıyla tahrik tekniği yönünden pratik değeri yoktur.

3.1.2. Doğrusal senkron motor

Uyarma sargısı DA ile beslenen bu tür bir motor cos* = 1 yada aşırı uyarılma olanağı olan bir iş letmede ilginç bir elektrikle tahrik öğesidir. Uyarma sargısının primer yada sekonder bölümlerde olmasına göre önemli ayrıcalıklar gösterir. Elek trikli cer işletmesi yönünden düşünüldüğünde, uyarma sargısı primer bölümdedir, ancak bunun da bazı sakıncaları vardır. Ek kısa devre sargıları olmaksızın, yol alma ve hız denetimi için ancak değişken frekanslı bir işletme düşünülebilir.

3.1.3. Doğrusal asenkron.motor

Bu tür motor, yapısı yönünden en basit olanıdır, îlke olarak kısa devre rotorlu motora benzer. Ancak mekanik ve elektriksel yönlerden önemli ayrıcalıklar gösterir. Örneğin, döner elektrik makinelerinde mekanik bakımdan ortaya konulan rotorun maksimum devir sayısı, temas eden parça ların yıpranması, gürültüler, kuvvet iletim ola nakları gibi sınırlamalar burada yoktur. Elektrik sel ayrıcalıklar olarak; örneğin, sonlu sargı uzunlukları, hava aralığı büyüklüğü söylenebilir (2).

En çok kullanılan doğrusal asenkron motor olduğun dan, bunun en önemli tiplerini bir şekil üzerinde görelim (Şekil 1) (3).

3.2. "Elektrikli Cer" Tekniği Yönünden Doğrusal Senkron ve Asenkron Motorlarının İncelenmesi

Doğrusal motor temel olarak, endüi ve endüktörün büyüklüklerine göre 2 gruba ayrılır; kısa endüili ve kısa endüktörlü. Kısa endüili makinede endük tör uzundur. Reaksiyon rayı (sekonder bölüm) ta şıta tutturulmuştur. Bunun yararı taşıtın hafif

yapılabilmesidir; çünkü motorun tümü ve denetim aygıtları artık taşıtta değildir. Elektrik motoru yoldan beslendiği için artık, elektrik enerjisinin taşıta taşınması sorunu da yoktur. Ancak henüz bu tür enerji taşınması ve yardımcı devrelerin beslenmesi sorunları tam çözülememiştir. Gelişmeler sonucunda bugün ço ğunlukla kısa endüktörlü motor kullanılmaktadır, bu türde endüi uzundur ve doğrusal motorun aktif bölümü denetim devresiyle birlikte taşıttadır. Reaksiyon rayı (rotor bölümü) yolun bir bölümü dür. Almanyadaki MBB ve Krauss Maffei firmaları nın yapmış oldukları elektrikli deneme taşıtları bu ilkeye göre çalışırlar. Ayrıca AEG, Siemens ve BBC firmaları da ortaklaşa yürüttükleri tasa rımda bunu uygulamaktadırlar (4). En çok kullanılan doğrusal asenkron motor yapısal olarak, endüi yada endüktörün karşılıklı uzunluk durumlarına yada endüktörün tek yada çift olması na göre ikiye ayrılmaktadır. Karşılıklı hareket durumları açısından da, endüktörün hareketli yada sabit olmasına göre; hareketli yada sabit endük törlü tipler olmak üzere iki gruba ayrılmaktadır. Bunlara ilişkin çeşitli örnekler vardır.

A

S., 'K'4 ?

b r(nfu c d

Şekil 1. Doğrusal asenkron motorların türleri 1. Endüi manyetik bölümü 2. Endüi iletken bölümü 3. Sargılı endüktör Asenkron doğrusal motorun temel tipleri a. Tek taraflı kısa endüktörlü tip b. Tek taraflı kısa endüili tip c. çift taraflı kısa endüktörlü tip d. Çift taraflı kısa endüili tip

f= 2.Jl.b

(D

Bu bağıntı yazılırken, hava aralığı endüksiyonuy la akım yoğunluğunun ortamda sinuzoidal dağıldığı öngörülmektedir. Burada A akım yoğunluğunu, 1 indisi ise büyüklüğün primer bölüme özgü olduğunu gösteriyor, f kuvveti özgül itme kuvveti olarak da tanımlanabilir. Bu kuvvetin maksimum değeri (4) bazı basitleştirmelerle,

Şekil 2. Doğrusal asenkron motor

1. Endûktör 2. Değişken akxm sargıları 3. Endüi (alüminyumdan yapılmış homojen reaksiyon rayı) 2S . Endüi genişliği

(2) max (2) bağıntısıyla verilebilir. Burada Aı, primer akım yoğunluğunun şiddeti, T_ kutup aralığı, 6 ise hava aralığıdır. Bu bağıntıya göre, önceden verilen yada sınırlanan bu büyüklüklerle bazı ko şullar altında frekans ve gerilime etki ederek fmax bulunabilir. Bugünkü teknik koşullarda, Tp = 50 cm., 6 = 5 cm., Aj = 100 kA/m alınırsa;

m a x f

= 1N/cn|2

olur.

1 i • •4 9 94 • • o

——

F

T • •O 0 O O • •o

Şekil 3. Doğrusal asenkron motorda endüksiyon

dağılımı

6 : Hava aralığı

Doğrusal senkron ve asenkron motorlar arasındaki niteliksel fark; asenkron tipte makinenin alanının sargıların şebekeden çektiği tepkin (reaktif) güç ile oluşturulmasına karşı senkron tipte alanın tümü yada bir bölümü doğru akım ile beslenen uyar ma sargısı yardımıyla üretilmesidir. Senkron ça lışmada tepkin güç şebekeye geri verilebilir (5).

Doğrusal asenkron motoru bir elektrikli cer, bir de elektrikle tahrik taşıt öğesi olarak inceliye lim. Ele aldığımız doğrusal asenkron motor, değiş ken akım sargılarını taşıyan çift endûktör ve alüminyumdan yapılmış homojen reaksiyon raylı endüiden oluşuyor (Şekil 2 ).

Bir değişken akım sargısı, açısal frekanslı bir değişken akım şebekesine bağlanırsa, endûktör ara lığında v hızıyla hareket eden bir gezer alan do ğar. Belirli bir t zamanı için buna özgü idealize edilmiş Bj, endüksiyon dağılımı Şekil 3'de veril miştir (5).

Bu gezer alan reaksiyon rayında kısa devre akım ları oluşturur, bunlar hava aralığı endüksiyonuy la birlikte reaksiyon rayı üzerine bir F kuvveti uygular, bu da gezer alanın ilerleme yönünde ha reket etmeğe çalışır. 2.Jl.b büyüklüğündeki hava aralığı düzeyinin birimi başına oluşturulan kuv vet aşağıdaki bağıntıdan bulunabilir (5).

Burada B 0,28 T dir (5). Bunlar maksimum de L ğerler olmasına, gerçekte daha küçük değerler el de edilmesine karşın, döner makinelerin verdiği değerlerin yine de ancak yaklaşık Z 25 30'una eri şirler, f değerini artırmanın en iyi yolu, A^Tp/6) değerini artırmaktır. Hava aralığının azaltılması daha iyi sistemler koyarak gerçekleş tirilebilir. Ancak öncelikle akım yoğunluğunun artırılması gerekir, çünkü bu büyüklük karesel olarak artar. Bu ise bir yalıtkanlık ve soğutma sorunudur.

Doğrusal motorun kuramına (teorisine) burada daha fazla girilmeyecektir. Elektrikli çerle ilgili hareket sorunlarına ve uygulamalarına başka yazı larda yer verilecektir. Bundan sonraki yazıda doğ rusal motorun çalışma ilkeleri ve nitelikleri ge nel ve daha açıklamalı olarak belirtilecek ve kul lanıldığı yerlere ilişkin örnekler verilecektir.

KAYNAKLAR (1) Ural, A., Doç.Dr., Uzak Mesafe Elektrikli Ulaşım Sistemlerinden "Transprapid" Geleceğe Atılış: tempo 500 t.T.ü.D.,Cilt 33.,Sayı 1., s.12 19, 1975.

(2) Huhns, T., G.Kratz, Der Asynchrone Linearmotor als Antriebselement und Seine Besonderheiten, Heft 7 (A2.Jahrgang 1971)., Elektrische Bahnen.

(3) Schutz., Asynchrone Linearmotören und ihre Anvendungen, Glückauf 1973 (4) Ural, A., Doç.Dr., Konvansiyonel Olmayan Ulaşım Sistemleri, Seminer Notları, î.T.t). Elek.Fak.El.End.Tatb.Kürsüsü, 1972.

(5) Leitgeb, W., Linearmotoren für Fahrzeuzantri ebe, Siemens.Z.45 (1971),Beiheft "Bahntechnik", S.177 his 180.

(6) Revue Generale d'Electricite, 1971, Sayı 1 2.

UF