Genel Fizik II HIZLI TRENLERİN YAVAŞLAMASINI

Ad Soyadı
: Fahri Dönmez
Şube No
: TBIL-104-03
Öğrenci No : 122132151
Bölüm
: Bilgisayar Mühendisliği
Genel Fizik II
HIZLI TRENLERİN YAVAŞLAMASINI VE DURMASINI SAĞLAYAN FREN SİSTEMİNDE
MANYETİK KUVVETLERİN ROLÜ NEDİR?GİRDAP AKIMI NE DEMEKTİR? GİRDAP
AKIMININ KULLANIM ALANLARI NELERDİR?
Doç Dr. Güray BUDAK
Konvansiyonel frenler 350 km/saat'in üzerindeki hızlarda yeteri kadar kısa bir mesafede
treni durduramazlar ve tehlikeli durumlarda yeterli güvenliği sağlayamazlar. Fren sisteminde yok
edilmesi gereken ısı miktarı hızın karesi ile orantılı olarak arttığı için çok yüksek hızlarda güvenli
durmanın sağlanamaması, çok daha yüksek hızlara çıkılmasının önünde duran önemli bir
teknolojik engeldir.
Manyetik indüksiyon frenleri, trenin raylarda ısıya dönüşen kinetik enerjisini anafor akımlar
yoluyla dağıtır. Böyle bir fren 220 km/saat (137 mph) üzerindeki hızlar için geçerlidir; çünkü
frenleme sonucu oluşan yüksek ısı daha düşük hızlarda raylarda hasara sebep olmaktadır.
Yüksek Hızda trenler için Eddy-Akım ve Manyetik Raylı Frenler
Tren tekerleği ve raylar arasındaki sürtünme katsayılarından dolayı yeni fren sistemlerine olan
taleplere modern mühendisliğin geliştirdiği bir çözümdür. Ayrıca manyetik kuvvetin yapışma gücü ihtiyaç
duyulan tekerleğin raylara yapışma gücü için oldukça güçlü.
Günümüzde yüksek hızlı trenlerin frenleme sistemlerine çözüm olarak sunulan iki tip frenleme sitemi vardır.
Şekildeki a- Manyetik raylı fren ve b-indiksiyon (eddy akım veya girdap) freni.
Manyetik frenleme sisteminde eylem fren ve ray arasında değil, tekerlek ve ray arasında gerçekleşir.
Frenleme gücü tekerlek ve ray arasındaki yapışma kuvveti etkilediğinden bir çok etken etkilidir, ray yüzey,
hava durumu vb.
Yeni nesil hızlı trenlerde, eddy akımı frenleme sistemi de kullanılmaktadır. Klasik Faraday
kanunundan faydalanarak, raya içerisinden akım geçen bir iletken çubuk yakınlaştırmak, bunun yarattığı
magnetik alanla ray üzerinde dairesel akımların akması ve bu akımların rayı mıknatıslaştırarak treni
yavaşlatmasının sağlanması prensibine dayanıyor. Dairesel akımlar rayın iç direncinden etkilendikçe
azalıyor ve böylece trenin kinetik enerjisi ısıya dönüştürülmüş oluyor.
Hem manyetik, hem de girdap akımlı frenin kullanıldığı bir sistem.
İki tip eddy-current freni vardır:
1. Dairesel eddy akım freni: Ferro-manyetik metal disk dönen bir bobine bağlanır ve metal disk ile
bobin arasında manyetik alan ısı üretir, elektrik üretmek için kullanılan bir akımı oluşur. Elektromıknatıs
kullanıldığında, frenleme hareketi kontrol manyetik alanın gücünün değiştirilmesi ile mümkün hale gelmiştir.
Elektromıknatıs manyetik alan ile metal hareketi disk girdap akımları yaratır. Bu girdap akımları daha sonra
hareketli sistemi yavaşlatmak için fren gücü sağlayan ve disklerin dönmesine direnen bir karşıt manyetik
alan (Lenz yasası) üretir.
Eddy akımı fren Düzenlenmesi,
Dönen bir disk girdap akımları bir kroki.
2.Doğrusal eddy akım freni: Fransız fizikçi Foucault tarafından açıklanmıştır. Doğrusal eddy akımı fren güney
ve kuzey manyetik kutuplar olarak değişen manyetik olan demiryolu boyunca yerleştirilmiş elektrik bobinleri, bir
manyetik boyunduruğu oluşur. Bu mıknatıs manyetik fren olduğu gibi, demiryolu dokunmaz, ama raylardan sabit
küçük bir mesafe (yaklaşık yedi mm) tutulur.
Mıknatıs ray boyunca taşındığında, daha sonra elektrik gerilim (Faraday indüksiyon yasası) üretir demiryolu, başta
olmayan bir sabit manyetik alan üretir ve girdap akımları neden olur.
Bu nedenle, mıknatısın hareketine karşı çalışan bir yatay kuvvet bileşeni oluşur, böyle bir şekilde manyetik kuvvet
hareket yönüne karşı yönlendirilir.
Yüksek hızlı trenlerde ECB(Eddy current brake - girdap akım freni ) Düzenlenmesi
Uygulamalar:
- Trenlerde durdurma (fren) mekanizması olarak kullanılırlar.
- Roller Coster gibi hızlı makinelerde.
- Uzay araçlarındaki titreşimleri ortadan kaldırmak için.
Girdap (Eddy veya Foucaoult) Akımları:
Elektrik makinelerinin demir çekirdeğinde alternatif manyetik akı tarafından oluşturulan akımlar.
Bir ferromanyetik malzemeden geçen ana manyetik akı bu ferromanyetik malzeme üzerinde bir
gerilim indükler, indüklenen bu gerilimin oluşturduğu akımların ürettiği eddy manyetik akısı, ferromanyetik
malzemenin her noktasından geçen ana manyetik akıya ters yöndedir. Bu yüzden bir güç kaybı oluşur.
Eddy akımları halkalar halinde oluşur ve bu halkaların çapı yüzeyden çekirdeğe doğru üstel
biçimde azalır. “Üstel kuvvet ana manyetik akı, akı yolunun boyutu ve direnci olmak üzere üç
başlıca parametreye bağlıdır” bu haliyle durum nehirlerdeki girdaplara benzemektedir ve ismi de
buradan gelmektedir.
Girdap akımlarının ispatında, yukarıda da anlaşıldığı gibi Lenz kanunu yer almaktadır.
Girdap akımlarından faydalanılarak birçok uygulama geliştirilmiştir.
Bunlar;
*Metal detektörleri (Güvenlik kabini, Hazine arama cihazı), mayın tarama, hazır yiyecek makineleri
**Foucault’s Disk veya Eddy akımıfireni
***İndüksiyon yöntemi ile ısıtma (İndüksiyon ocakları, İndüksiyon fırınları)
**** Tahribatsız malzeme muayene yöntemi
•
•
•
Metal Dedektörü
Metal dedektörleri elektromanyetik dalgalar gönderme ve alma genel prensibine göre çalışırlar.
Gönderilen elektromanyetik dalga rastladığı metal cisim üzerinde "eddy currents" veya "faraday
akımları" denen bir akım endükler. Bu endüklenen akım tekrar bir elektromanyetik dalga üretir. Bu
elektromanyetik dalgalar tekrar bobinde bir akım endükler. Bu küçük sinyaller elektronik devrelerde
kuvvetlendirilerek ses sinyali oluşması için hoparlöre gönderilir.
Aşağıdaki iki şekilde anlatılanlar görsel olarak sunulmaktadır.
Genel olarak metal dedektör Faraday prensibiyle çalışır.
Faraday Prensibi:
Tahribatsız malzeme muayene yöntemi:
Girdap Akımları Yöntemi temel olarak iletkenlerin
incelenmesinin esası olan elektromagnetizmaya dayanmaktadır. Girdap akımları, elektromagnetik
indüksiyon denilen proses doğrultusunda elde edilir. İçerisinden akım geçen bir iletkenin etrafı bir magnetik
alanla çevrilidir. Bu magnetik alanın gücü, kendini oluşturan bu akımla direkt olarak ilişkilidir. Büyüklüğü
değişen bu akım, örneğin zamana bağlı olarak değişen bir alternatif akım, palslı bir magnetik alan yaratır.
Şayet elektrik iletkenliğine sahip bir malzeme bu magnetik alan içerisinde bırakılırsa, malzemenin içerisinde
bir gerilim indüklenir. Malzeme iletken olduğunda bu gerilim malzemenin içerisinde bir akım indükler. Bu
akım “Eddy current” (Eddy akımı ya da Girdap Akımı) olarak bilinir. Eddy akımı kendini oluşturan akımın
özelliklerini taşır fakat doğrultusu terstir. Malzeme yüzeyindeki eddy akımı doğrudan doğruya kendini
oluşturan akımın frekansı ile ilgilidir. Bu açıdan, eddy akımının etkilediği derinlik bu frekansın artmasıyla
azalacaktır. Malzeme yüzeyinden içerideki oluşan eddy akımları, yüzeyde oluşan akımların faz değişimleri
ile ilişkilidir. Eddy akımları şayet çatlak, boşluk, yüzey hasarları veya hatalı kaynak birleştirmeleri gibi
malzeme kusurları ile karşılaşırsa, akısın olması gerektiği doğrultuda yayınamazlar. Bunun sonucunda
magnetik alanda bir değişiklik oluşur, ve buna bağlı olarak test bobini de reaksiyon verir. Eddy current test
prosedüründe bu kavram malzeme hatalarının tespitinde kullanılmaktadır.
Girdap akımlarının iki büyük sakıncası vardır.
Bunlar;
*Kendi başına bir güç kaybına neden olur. Ayrıca, “Nüve ısınır, ısı sargılara ulaşır ve sargıların
direncini artırır. Böylece bakır kayıpları da artar”.
**Ana manyetik akı ile bu akıyı üreten uyartım akımının aynı fazda olmamasına yol açarlar.
“Diğer bir deyişle akı cevabında bir faz gecikmesi oluşur. Bu durum elektrik makinelerinde
üretilmesi amaçlanan momentin, geçici durum davranışlarını kötü yönde etkiler. Örneğin,
istenilen genliğin ve dinamik cevap hızının altında kalan bir moment üretimine neden olur.”
Oluşan güç kaybının azaltılması ve aynı zamanda uyartım akımı ile manyetik akının aynı fazda
olmasının sağlanabilmesi için ferromanyetik malzemenin,
1. Elektriksel direnci yüksek
2. İnce ve birbirinden yalıtılmış saçlar (trafolarda olduğu gibi)
ile imal edilmesi gereklidir.
*Eddy akımları manyetik alanın frekansı ve genliğinin karesi ile doğru, saçların kalınlığının karesi ile
ters orantılıdır.
Girdap (Eddy) Akımlarına ait Uygulamalar
Kaynaklar:
https://dosya.sakarya.edu.tr/Dokumanlar/2013/306/178643587_1_temel_kavramlar_ve_manyetizma.pdf
http://wowturkey.com/forum/viewtopic.php?p=909497
http://www.benthamscience.com/open/totj/article/V002/19TOTJ.pdf
TUBA-TUBİTAK-TTGV; Bilim-Teknoloji-Sanayi Tartışmaları Platformu Yayınları
http://www.authorstream.com/Presentation/somenmandal14-1619333-eddy-current-brake-ecb/
https://en.wikipedia.org/wiki/Eddy_current_brake
PowerPoint Sunusu - yarbis - Yıldız Teknik Üniversitesi
http://www.kocaelimakine.com/wp-content/uploads/2011/09/tahribatsiz-malzeme-muayene-yontemleri.pdf