13 Mayıs 2020 02:46

Prof. Dr. İsmail Yüksek – Hızlı Tren Teknolojisi

Makine, mekatronik ve kontrol mühendislikleri alanında güncel konulardan biri manyetik kaldırma (MagLev) sistemleridir.

Prof. Dr. İsmail Yüksek – Hızlı Tren Teknolojisi

Mühendislikte Trendi Konular 4-

MAGLEV SİSTEMLER

Makine, mekatronik ve kontrol mühendislikleri alanında güncel konulardan biri manyetik kaldırma (MagLev) sistemleridir. MAGLEV” sözcüğü İngilizce “Magnetic Levitation” sözcüklerinin kısaltılmasıyla elde edilmiştir, dilimizdeki karşılığı “manyetik olarak havada tutma, yükseltme” anlamına gelmektedir. Manyetik kaldırma (Maglev) sistemleri, bir ferromanyetik nesnenin yerçekimi kuvvetlerine karşı elektromanyetik bir alanın varlığında kaldırılması ilkesine dayanır. Manyetik süspansiyon sistemleri, hareketli ve sabit parçalar arasındaki fiziksel teması ortadan kaldıran bir çözüm sunar. Başka bir deyişle, Maglev sistemlerinde sürtünme yoktur. Manyetik levitasyonun pratik uygulamaları titreşim kontrol sistemlerinde, manyetik rulmanlarda, yüksek hızlı yolcu trenlerinde, indüksiyon fırınlarında erimiş metalin yükselmesinde ve imalat sırasında metal plakaların çıkarılması gibi mühendislik sistemlerinde görülebilir. 

Maglev sistemlerinin belki de en popüler olanı Maglev trenlerdir (uçan trenler). Maglev trenlerin altında güçlü elktro mıknatıslar bulunur. Aynı zamanda maglev trenler için özel olarak üretilmiş tren raylarında da elektromıknatıslar bulunur. Bu mıknatıslar sayesinde tren, raylar üzerinde 1-10 cm arasında bir yükseklikte ilerler. Raylarla temas olmadığı için sürtünme büyük ölçüde azaltılmış olur. Yalıtılmış ince kabloların ham demire sarılarak imal edilen elektromıknatıslar, kablolardan akım geçirilmesiyle büyük manyetik alan üretebilirler. Aşağıdaki şekilde bir elektromıknatısın yapısı sunulmaktadır. Sistemin mıknatıslık özelliği elektriğe bağlı olduğundan anında elektrik kesip, mıknatıslık özelliği ortadan kaldırılabilir ya da akımın yönü kontrol edilerek mıknatısın kutupları değiştirilebilir veya elektrik akımı arttırılıp çekim kuvveti arttırılabilir.


Maglev Trenin dış şekli de havayla sürtünmeyi en aza indirecek şekilde aerodinamik biçimde tasarlanır. Aerodinamik tasarımların temel prensibi keskin sivri yüzeylerden kaçınılmasıdır. Elektromıknatısların yukarıya doğru uyguladığı elektromanyetik kuvvet sayesinde tren, raylara değmeden havada asılı kalır. Raydan çıkmaması için trenin alt kısmının konstrüksiyonu, rayları saracak şekilde gerçekleştirilmiştir. Aşağıdaki şekilde bir Maglev treni temel elemanları ile birlikte resmedilmektedir.

Buna göre trenin ileriye doğru hareketi de elektromıknatıslar tarafından sağlanır. Trenin itki sistemi için değişik uygulamalar olmakla birlikte, EDS (Electrodynamic Suspension) teknolojisinde kullanılan rayları ve treni, açılmış haldeki bir elektrik motoru gibi düşünülebilir. Motoru oluşturan stator (dıştaki sabit kısım) ve rotor (içteki dönen kısım) dairesel şekilde iç içe oldukları için, dönme hareketi üretirken, üst üste duran tren ve raylarda ileri doğru bir hareket üretirler.

EDS teknolojisini kullanan trenlerde, raylardaki elektromıknatısların kutupları trene ileri yönde hareket verecek şekilde dinamik olarak değiştirilir. Bu değişim çok hassas kontrol sistemleri tarafından, trene en yüksek hızı verecek şekilde gerçekleştirilir. Maglev trenler, saatte 500 km.’nin üzerinde hızlara ulaşabilirler.

Maglev sistemler; tabiatları gereği kararsız ve yüksek derecede doğrusal olmayan sistemler olduğu için doğal olarak muhtaç oldukları kontrol sistemlerinin geliştirilmesi hâlihazırda tasarım mühendislerinin üzerinde çalıştığı tehaddikar sistemlerdir. Bu yüzden Maglev Trenlerde, hızın maksimizasyonu ve sarf edilen enerjinin minimizasyonu için yani daha yüksek performans için kapalı çevrim kontrol sistemi tasarımları gerek akademik alanda ve gerekse uygulamada ilgi uyandırmaya devam etmektedir.