The design and adaptive control of a novel hybrid magnetic bearing system

Abstract

Bu tez çalışması, eksenel yönde aktif manyetik yatağa ve radyal yönde pasif manyetik yatağa sahip olan yeni bir volan sistemi yapısını önermektedir. Önerilen hibrid manyetik yataklı volan sisteminde, pasif manyetik yataklar tek başına kararlı bir manyetik levitation sağlayamazlar ancak eksenel yönde kullanılan aktif manyetik yataklar yardımı ile volan sisteminin dinamik kararlılığını sağlamak mümkündür. Hibrid yataklarda, radyal pasif manyetik yataklar levitasyon sırasında enerjiye ihtiyaç duymazlar dolayısıyla sistemin güç tüketimini düşürürler ve bunun yanı sıra daha basit bir yatak sistemi oluşturularak volan sistemin yataklanması sağlanmış olur. Pasif manyetik yataklar tarafından üretilen radyal katılık faktörleri Mathieu denkleminin rijitlik formuna benzer bir yapıdadır. Volan hibrid manyetik yatağının dinamik denklemleri Mathieu denklemi yaklaşımı kullanılarak elde edilmiştir. Mathieu denklemine dayanan bir kararlılık analizi, rotorun eksenel yer değiştirmesine göre gerçekleştirilmiştir. Radyal pasif manyetik yataklar bazı avantajlara sahip olmakla birlikte, volan aktif manyetik yatak sisteminin kararlılığını bozan bozucu kuvvetler oluştururlar. Lyapunov tabanlı kompozit uyarlanabilir tüm durum değişkenleri ve çıkış değişkenleri geri beslemeli kontrolcüleri, bozucu kuvvetler karşısında kararlılık sağlarlar ve istenen yörüngeye ve hızlı parametre tahminine iyi bir yakınsama sağlarlar. Hibrit manyetik yataklı volan sisteminin prototipi, tasarım ve analiz çalışmalarını tamamladıktan sonra üretilmiştir. Deneysel çalışmalar, hibrid manyetik yataklı volan sistemi prototip kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Lyapunov tabanlı kompozit uyarlanabilir kontrolörler farklı durumlarda deneylerle gerçekleştirilmiş ve tatmin edici sonuçlar elde edilmiştir.

This thesis study proposes a novel flywheel system structure with active magnetic bearing in the axial direction and passive permanent magnet bearings in the radial directions. In the proposed hybrid bearing structure, passive magnetic bearings do not provide a stable magnetic levitation in all directions but it is possible to maintain the dynamic stability of the flywheel by using active magnetic bearing in the axial direction. In a hybrid bearing system, radial passive magnetic bearings do not need energy and reduce the power consumption and create less complexity in the bearing structure. The radial stiffness factors generated by passive magnetic bearings are similar to the stiffness form of Mathieu equation. The dynamic equations of the flywheel hybrid magnetic bearing system are obtained using Mathieu equation approach. A stability analysis based on the Mathieu equation is realized according to the axial displacement of the rotor. Although radial passive magnetic bearings have some advantages, they impose disturbance forces that deteriorate the stability of the flywheel-active magnetic bearing system. The Lyapunov based composite adaptive full state and output feedback control provides stability against disturbance forces and a good convergence to the desired trajectory and fast parameter estimation. A prototype of the hybrid magnetic bearing flywheel system is manufactured after completing design and analysis studies. The experimental studies are implemented using the prototype of the hybrid magnetic bearing flywheel. The composite adaptive controllers are realized in experiments for different cases and obtained satisfactory results.