Manyetizma-Bobin-Elektromıknatıs-Marş Motoru ve Alternatör Temel Bilgiler

MANYETİZMA NEDİR?  (MANYETİZMANIN ETKİLERİ - ELEKTROMIKNATISLAR- BOBİNLER - ELEKTRİK MOTORLARI VE JENERATÖRLER (ALTERNATÖRLER))

Bölüm 1 - 2 - 3 - 4 - 5
Manyetizma, (doğal mıknatıs gibi) manyetik özelliği olan maddelerin birbirini itme veya çekme kuvvetidir. Kısaca manyetizma maddelerin mıknatıslık özelliğidir. Elektromanyetizma ise; elektrik akımının sonucu oluşan itme çekme kuvvetidir,  iletken telden elektrik akımı geçirildiğinde, iletkenin etrafında manyetik alan oluşur, buna elektromanyetizma denir. Her iki durumda da elektriksel yüklerin oluşturduğu manyetik alan kuvvetleri sonucu oluşan itme-çekme kuvveti söz konusudur. Mıknatısların bu itme çekme kuvveti, elektrik motorlarının icat edilmesini sağlamış ve dünyayı değiştirmiştir. Yine mıknatısların manyetik alanlarının (hareket enerjisiyle birlikte) elektrik akımı oluşturması, elektrik üretimini sağlamış ve devrimsel bir gelişme sağlamıştır. 

Otomotivde aydınlatma ve elektriğin depolanması dışında, elektrik enerjisinin kullanım alanının çok büyük miktarı manyetizma esaslıdır.

Bir marş motoru, elektromanyetik kuvvetlerle çalışır ve motoru döndürerek ilk hareketi verir. Manyetizma esaslarına göre (Bkz: Faraday Kanunu) çalışan marş motoru, elektrik enerjisini harekete dönüştürür.

Yine manyetizma esaslarına göre çalışan alternatör ise, hareket enerjisini (mekanik enerjiyi) elektrik enerjisine dönüştürür. Alternatörde oluşturulan manyetik alandan elektrik enerjisi elde edilir (Faraday Prensibi). 


MANYETİZMA VE ETKİLERİ ( DOĞAL (DAİMİ) MIKNATISLAR)
Doğal mıknatıslar doğal maden olarak elde edilirler ve daimi olarak mıknatıs özelliklerini korurlar. Öte yandan endüstride üretilen yapay (sabit) mıknatıslar da sürekli olarak mıknatıs özelliklerini korurlar. Mıknatıslar demir gibi metalleri çekme özelliği gösterir.

 

Mıknatıslarda iki zıt kutup vardır; (N (kuzey) ve S (güney) kutbu). N ve S kutbu birbirini çeker. N -N kutbu ve S-S kutbu, yani aynı kutuplar birbirini iter. Mıknatıstaki N ve S kutbu arasında manyetik kuvvet hatları vardır, mıknatısın dış kısmında kuvvet hatları N kutbundan S kutbuna doğru akar.

Mıknatısın içindeyse kuvvet hatları S kutbundan N kutbuna doğru akar. Kuvvet hatları asla birbirine kesmez, paralel olarak yanyana gelebilirler, bir alanda yoğunlaşabilirler.

  

Bir doğal mıknatısın her zaman iki kutbu vardır. Mıknatıs bölündüğünde, bölünen her parçada tekrar iki manyetik kutup oluşur (N (kuzey) ve S (güney) kutbu).

Bir metal iğneli pusula, mıknatıs etrafında hareket ettirildiğinde, pusulanın iğnesini saptırarak döndürecektir.

Otomotivde hem elektromıknatıslar, hem de yapay (sabit) mıknatıslar kullanılmaktadır.

Elektromıknatıslar, otomotivde çok geniş bir kullanım alanına sahiptir; yakıt enjektörleri, abs fren valfleri, röleler, sensörler, selenoid valfler (elektrovalfler), marş motorunun sargı bobinlerinde, alternatörün sargı bobinlerinde. Manyetik alanın etkilerinden; marş motorları, alternatörler, ateşleme sistemlerinde yararlanılır. 

Yapay (daimi-kalıcı) mıknatıslar, eletromekanik parçalarda kullanılmaktadır. Örneğin: hava yönlendirme klapelerini açıp kapatan, emme manifoldundaki hava yönlendirme klapelerini açıp kapatan, gaz kelebeğini açıp kapatan, elektrikli (otomatik) camların krikolarını çalıştıran elektrikli step motorlarda (adım motorlarda), “rotor” kısımlarında sabit mıknatıslar kullanılır.

ELEKTROMANYETİZMA VE ETKİLERİ (ELEKTROMIKNATISLAR - BOBİNLER)

İletken telden elektrik akımı geçirildiğinde, iletkenin etrafında manyetik alan oluşur. Manyetik alan kuvvet hatlarının yönü, elektrik akımının yönüne göre değişir. Sağ el kuralına göre bu iletken tutulursa, baş parmak elektrik akımının yönünü, 4 parmak ise manyetik alan kuvvet hattının yönünü gösterir.

 

Mıknatıslanmış bir cisimde, manyetik alan kuvvet hatları, cismin bir ucunda başlar ve diğer ucunda biter. Cismin dışında kuvvet hatları N'den S'ye doğru hareket eder, cismin içindeyse S'den N'ye doğru, bu şekilde döngü oluşur. 

Bir  iletken telden elektrik akımı geçtiğinde, çevresinde dairesel dönen manyetik alan kuvvetleri oluşur.

Bir  iletken telden elektrik akımı geçtiğinde, çevresinde dairesel dönen manyetik alan kuvvetleri oluşur. Bu iletken tel, sarılıp sargı (bobin) haline getirilirse, manyetik alan  güçlenir, bu sargının merkezine bir demir parça konursa, manyetik alan (kuvvetler) daha da artar, çünkü tümü demirin içindeki küçük bir alanda yoğunlaşır, artık bu bir elekromıknatıstır. Sargı şeklindeki elektromıknatısta, kuvvet hatları daha güçlü ve doğrultusuyla pratikte daha işe yarar biçime gelir.

  

 

İletken tel çember şekline getirilirse, manyetik kuvvet hatları iletken çemberin merkezinden geçer. İletken tel çember şeklinde sarılarak çok sayıda sargı meydana getirilirse buna “bobin” denir. Bobinden elektrik akımı geçirilirse, bobinin merkezinde daha kuvvetli bir manyetik alan oluşur. Bobinlerin merkezine bir demir çekirdek (nüve) konulursa, manyetik alan daha da artacaktır ve bir mıknatıslanma meydana gelecektir. Bu şekilde bobinlerle elde edilen mıknatıslara “elektromıknatıs” denir. Elektromıknatıslar daimi (tabii) mıknatıs değildir, elektrik akımı verildiğinde mıknatıslanma meydana gelirken, elektrik akımı kesildiğinde mıknatıslanma sona erer. 

FARADAY KANUNLARI- MANYETİZMA - ELEKTRİK MOTORU VE MARŞ MOTORU

Faraday’ın iki temel prensibi şunları söyler:

*Sabit bir manyetik alan içerisinde bulunan iletkene elektrik akımı verildiğinde, o iletken tel hareket eder. Elektrik motorunun temeli. MARŞ MOTORU (Elektrik verip, hareket elde etmek) (Bkz: Faraday Kanunu) 

*Değişken bir manyetik alan içerisinde bulunan iletken telde elektrik akımı indüklenir (elektrik akımı oluşur). Jeneratörün temeli. ALTERNATÖR (Hareket verip, elektrik elde etmek) 

Faraday kanunları ve manyetizmanın esaslarına göre marş motoru ve alternatörün çalışması aşağıda incelenmiştir.

MANYETİK ENERJİDEN HAREKET ENERJİSİ ELDE ETMEK

MANYETİZMA VE ELEKTRİKLİ MOTORLAR (MARŞ MOTORUNUN ÇALIŞMA PRENSİBİ)

Mıknatıslar manyetik alanları içerisinde bulunan maddeleri çekerler veya iterler. Bir mıknatısın aynı kutupları birbirini iterken, zıt kutupları birbirini çeker. Tüm karmaşık sistemler temelde bu basit gerçeğe dayanır. 

 

Mıknatısın bu şekildeki manyetik etkisiyle itme ve çekme kuvveti oluşturması, yani manyetik alandaki kuvvet hatlarının bir hareket üretmesi, çeşitli faydalı buluşlara imkan sağlamıştır. Basit bir mıknatısın pusula ibresini döndürmesi, hareket ettirmesi, elektrik enerjisinden hareket enerjisi (mekanik) enerji elde edilebildiğinin ilk göstergesi olmuştur. Mıknatısın itme veya çekme hareketinin, sürekli olarak devam eden bir döndürme hareketine dönüştürülmesi (ilk elektrikli motor), Michael Faraday tarafından gerçekleştirilmiştir. 


Manyetik alanda, manyetik kuvvet hatları mıknatısın dışında N kutbundan S kutbuna doğru akarken; mıknatısın içinde S kutbundan N kutbuna doğru akar, yani bir dairesel hareket izler. Elektromıknatıs, bir demir parça üzerine bobin (sargı) şeklinde sarılmış ve üzerinden elektrik akımı geçirilen teldir. Elektrik akımının yönü (artı ve eksi uçları) değiştirilirse, manyetik alanın yönü (kuvvet hatlarının hareket yönü), yani mıknatısın kutupları (N ve S) da değişecektir. Doğru akımla çalışan bir elektrik motorunun çalışmasında, yani içerisindeki rotorun sürekli dönüş hareketi yapabilmesindeki ve akımın yönü değiştirildiğinde motorun dönüş yönünün de değişmesindeki temel esas budur.

Ortada (rotor olarak) bir doğal mıknatıs var. İki yanda bobin tarafından oluşturulmuş elektromıknatıs kutupları var. Elektrik verildiğinde elektromıknatıs, mıknatıslanır ve rotordaki zıt kutuplu tarafı kendine çekecek şekilde hareket ettirir (döndürür). ELEKTROMIKNATIS BOBİNİNİN + VE - BAĞLANTI UÇLARI DEĞİŞTİRİLDİĞİNDE, YANİ AKIMIN YÖNÜ DEĞİŞTİĞİNDE, DEMİR NÜVEDE OLUŞAN MANYETİK KUTUPLAR DA DEĞİŞİR. DEMEK Kİ DÖNÜŞ HAREKETİNİN SÜREKLİ OLMASI İÇİN, MANYETİK KUTUPLARIN SÜREKLİ DEĞİŞMESİ GEREKİR, AKSİ HALDE ROTOR YARIM TUR ATIP DURACAKTIR. ÖYLEYSE MARŞ MOTORUNDA ROTOR OLARAK; AKIM YÖNÜ (YANİ MANYETİK KUTUPLARININ YÖNÜ) SÜREKLİ DEĞİŞEN BİR ELEKTROMIKNATIS (ENDÜVİ) KULLANMAK GEREKİR.

Marş motorunda, endüvinin sürekli dönmesi isteniyorsa, manyetik kutupların (N ve S) sürekli olarak değişmesi gerekir. Bu sebeple endüvide bir sabit mıknatıs kullanılamaz. Marş motorundaki endüvide (dönen kısımda) bir elektromıknatıs kullanılır. Çünkü elektromıknatısa gönderilen elektrik akımının yönü değiştirildiğinde, manyetik kutuplar (N-S) da yer değiştirir. 


Sabit bir manyetik alan içerisinde bulunan iletkene elektrik akımı verildiğinde, o iletken tel hareket eder. Marş motorunda o iletken tel: endüvi (rotor) ve o sabit manyetik alanı oluşturan kısım ikaz sargılarıdır (endüktör). Eğer iletken tele uygulanan elektrik akımının yönü sürekli olarak uygun zamanda (senkronize bir şekilde) değiştirilebilirse, yani manyetik alan kutupları sürekli değiştirilebilirse, bu tel sürekli olarak dönecektir. Örneğin marş motoru: Endüktör (ikaz) sargılarında sabit manyetik alan oluşur, endüviye elektrik akımı verilerek manyetik kutuplar oluşur, endüktör ve endüvinin aynı kutupları birbirini iter ve farklı kutupları birbirini çeker. Bu hareket sırasında endüvinin kutupları senkronize şekilde değiştirildiğinden, dönüş hareketi süreklilik arz eder. Endüvideki bu sürekli farklı kutupların oluşması, kollektör dilimlerine basan fırçalardan (kömür) gelen akım yönünün, dönüş gerçekleştikçe sürekli değişiyor olmasındandır.

Manyetik kuvvetlerin oluşması için mıknatıslar kullanılır. Sabit bir manyetik alan oluşturulmak istenen yerde, doğal (kalıcı) mıknatıslar veya sargılı elektromıknatıslar kullanılabilir. Örneğin marş motorunun gövdesindeki endüktörde (ikaz sargılarında) genellikle elektromıknatıslar (sargılar) veya bazı modellerde kalıcı mıknatıslar kullanılmaktadır. Bu kısımda manyetik alanın sabit olması sistemin çalışma mantığı gereğidir.

Gövdede ikaz sargıları yerine doğal mıknatısların kullanıldığı marş motorları da vardır. Bunlar daha hafif, daha küçük, daha az maliyetli marş motorlarıdır. Fakat kalıcı mıknatıs kullanımı, marş motorunun torkunu düşürür, büyük güçler elde edilemez, bu sebeple bu motorlarda tork artırımı için redüksiyon dişlileri (planet dişliler) kullanılır. Doğal (kalıcı) mıknatısların kullanıldığı elektrik motorları daha düşük güç gerektiren yerlerde tercih edilir, örneğin cam sileceği, fan motoru vb. 

Marş motorunda endüvi, sabit bir manyetik alan içerisinde dönmektedir. İkaz (endüktör) sargısında oluşan N kutbu, endüvideki S kutbu olan sargıyı kendine çeker; yine aynı anda diğer ikaz sargısındaki S kutuplu elektromıknatıs, endüvinin N kutuplu sargısının olduğu kısmı kendine çeker, bu çekme hareketi endüvinin dönmesine sebep olur. Dönüş hareketinin sürekli (kesintisiz) ve akıcı şekilde gerçekleşmesi için; daha fazla kutuplu ikaz sarısı (örneğin  karşılıklı çift N-S kutuplu 4 sargı) kullanılabilir, bununla birlikte endüvide de sargı (bobin) sayısı arttırılmıştır (en az 3 sargı paketi ). Böylece daha fazla sayıda mıknatıs elde edilmiş olur. Endüvinin akıcı (sürekli)  dönüş hareketi, karşılıklı zıt kutuplarından peş peşe birbirini çekmesinin bir sonucu olarak gerçekleşir.

Endüvideki manyetik kutupların (N-S) sürekli değişmesi, kollektör dilimlerinin dönmesi sırasında; bir pozitif (+) fırçaya (kömüre) bir de negatif (-) fırçaya ard arda temas ediyor olması sayesinde gerçekleşir. Böylece ard arda gelen itme-çekme etkisi sayesinde endüvi (yani marş motoru) sürekli dönmeye başlar. 

Daha büyük manyetik alan kuvveti, daha yüksek torkla dönüş anlamına gelir. Daha büyük manyetik alan elde edilebilmesi için, daha fazla elektrik akımı (amper) ve büyük bobinler (elektromıknatıslar) gereklidir. Marş motorundan bir motoru döndürebilecek kadar dönme kuvvetinin elde edilebilmesi için, yani daha kuvvetli manyetik alan oluşturulabilmesi için, kalın bakır teller, çok sayıda sarıma sahip bobinler, endüvinin gövdesinde çelik bir gövde kullanılması gibi uyarlamalar yapılmıştır.

Marş selenoidinden marş motoruna giriş yapan marş akımı, ikaz sargıları ve oradan da kömürler (fırça) vasıtasıyla kollektörlere ve endüvi sargılarına aktarılır. Marş motorunda endüvi sargıları ve ikaz sargıları birbirine seri olarak bağlanmıştır durumdadır. Seri bağlı devrelerin özelliği gereği akım (amper) her yerde aynıdır, yani endüvi ve endüktörden aynı miktarda elektrik akımı (amper) geçer. Marş motoru dönmeye başladığında oldukça yüksek tork üretirken, devir hızı arttıkça tork değeri düşer, bu da marş motorunda istenen bir özelliktir. 

Endüktör ve endüvinin bir birine paralel olarak bağlandığı elektrikli motorlara “şönt motorlar” denir. İkaz sargısı ve endüvinin gerilimleri (volt) aynıdır fakat çektikleri akım (amper) farklıdır; ikaz sargıları maksimum akım çeker. Daha sabit bir devir sayısına sahiptirler, motora binen yük değişse bile, elektrikli motorun devir hızı değişmez. (Bkz: Elektrik Motorları ve Çalışma Prensibi)

MANYETİK ENERJİDEN ELEKTRİK ENERJİSİ ELDE ETMEK

MANYETİZMA VE ELEKTRİK ÜRETİMİ (ALTERNATÖRÜN ÇALIŞMA PRENSİBİ)

Değişken bir manyetik alan içerisinde bulunan iletken telde elektrik akımı indüklenir (elektrik akımı oluşur). Bu, alternatörün çalışma esasının temelidir. Alternatör, araç motoru çalışıyorken hareketini bir kayış vasıtasıyla motordan alarak elektrik enerjisi üretir. Alternatör, hareket enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren bir jeneratör olarak çalışır. Araçtaki elektrikli alıcıları besler ve aküyü şarj eder. 

Alternatörün elektrik üretmesi, faraday prensibiyle açıklanır. Değişken bir manyetik alan içerisinde bulunan iletken telde elektrik akımı indüklenir (elektrik akımı oluşur). Buna “elektromanyetik indüksiyon” denir. (Bkz: Faraday Kanunu) 

Burada önemli nokta, MANYETİK ALANIN  DEĞİŞKEN olmasıdır.

Elektrik üretmek için “Kalıcı (doğal) Mıknatıs” veya “Elektromıknatıs” Kullanılabilir. 
Elektromanyetizma sayesinde, bobinler kullanılarak yüksek gerilimler elde edilebilir. Bir bobine gönderilen elektrik akımı aniden kesildiğinde, bobinde ani ve yüksek bir voltaj oluşur (indüklenir). Bu bobinlere endüksiyon bobini denir. Otomotivde bobinlerde oluşan bu yüksek gerilim prensibinden ateşleme sisteminde yararlanılır. Özel olarak hazırlanmış ateşleme bobinlerinde 12 voltluk gerilimden 30 bin volt elde edilir. (Bkz: Ateşleme (İndüksiyon) Bobini)

Doğal (Kalıcı) Mıknatıs Kullanılarak Elektrik Üretimi

Bir kalıcı (doğal) mıknatıs, bir iletken bobine (sargı) yaklaştırılıp uzaklaştırıldığında, bobinde elektrik akımı olur. Bobinin uçlarına bir lamba bağlanırsa; kalıcı mıknatıs hareket ederken lambanın yandığı görülür. Burada dikkat edilmesi gereken, lambanın sadece kalıcı mıknatısın hareket ettiği sırada yanmasıdır, yani sadece kalıcı mıknatıs hareket ederken, DEĞİŞKEN bir manyetik alan oluştuğunda elektrik akımı meydana gelir. Kalıcı mıknatıs, bobine yaklaştırılıp bırakılırsa, bobinde hiçbir elektrik akımı oluşmayacaktır.
Daha fazla bilgi için (Bkz: Elektrik Nasıl Üretilir?) (Bkz: Alternatörün Yapısı Çalışması Parçaları)

 

Kalıcı mıknatısın hareket yönü, elektrik akımının yönünü değiştirir. Mıknatısın hareket yönü değiştikçe, elektrik akımının yönü de pozitif ne negatif yönde değişecektir. Bu durumda mıknatıs bobinin yanından ileri geri hareket ettirilirken, elektrik akımının yönü sürekli değişir, lamba da buna uyumlu olarak yanıp söner. Aslında bu basit bir alternatif akım üretme  yöntemidir. Güçlü bir mıknatıs ve daha hızlı hareket eden mıknatıs, bobinde (iletken telde) indüklenen elektrik akımını güçlendirecektir. Yani lamba daha parlak yanacaktır. 

Elektromıknatıs Kullanılarak Elektrik Üretimi (Alternatördeki Elektrik Üretimi Yöntemi)

Sargı şeklinde dolanmış iletken tele (bobine) elektrik akımı verildiğinde, bobinin etrafında manyetik alan oluşur, buna elektromıknatıs denir. Elektromıknatıs kullanılarak DEĞİŞKEN manyetik alan elde etmek için, elektromıknatısa elektrik akımı verilip çekilmeli veya elektromıknatısın kendisi hareket ettirilmelidir.

Bir elektromıknatısın yanına, bir bobin konulur ve bu bobinin uçlarına bir lamba bağlanır. Elektromıknatıs, (doğal mıknatısta olduğu gibi) bobine yaklaştırılıp uzaklaştırıldıkça, yani DEĞİŞKEN manyetik alan oluşturuldukça, bobinde elektrik indüklenir (elektromanyetik indüksiyon) ve bobine bağlı lamba yanıp söner. 

Elektromıknatısa elektrik akımı verilip kesildiğinde, yine DEĞİŞKEN manyetik alan oluşur, bobinde elektrik akımı indüklenir ve o anda lamba yanıp söner. Elektromıknatısa sürekli akım verilip kesildikçe, lamba da sürekli yanıp sönecektir.

Otomotivde elektrik üretimi için, elektromıknatıs hareket ettirilir. Alternatörde elektromıknatıs olarak çalışan parça ROTOR dur. Rotor sürekli dönerek değişken manyetik alan oluşturur ve çevresindeki STATOR bobinlerinde elektrik akımı oluşur. Alternatörde gövde içerisinde sabit olarak duran stator bobinlerinde, merkezde bir elektromıknatıs olarak dönen rotor tarafından oluşturulan değişken manyetik alan sayesinde elektrik akımı indüklenir.

Alternatörde, rotora (elektromıknatısa) bir besleme akımı verilir ki, manyetik alan oluşsun; rotor bir kayışla motor tarafından döndürülür ki, manyetik alan DEĞİŞKEN olsun. Eğer alternatöre gönderilen besleme akımı yükseltilirse, alternatörün ürettiği elektrik akımı artar; yine rotorun dönüş hızı arttıkça da alternatörün ürettiği elektrik akımı artar. Yüksek gerilim otomotivde kullanılan alıcılara zarar verir. Bu sebeple üretilen voltaj (gerilim) de sınırlandırılır. Bunu düzenlemek için alternatörlerde regülatör kullanılır. 

Rotorda (elektromıknatısta) oluşan manyetik alan değişken olduğundan, yani manyetik alanın yönü sürekli değiştiğinden, statorda (bobinde) oluşan elektrik akımının yönü de sürekli olarak değişir, yani ALTERNATİF (AC) akım oluşur. Otomotivde alternatif akım kullanılmadığı için, alternatörde üretilen alternatif akım diyotlar tarafından DOĞRU AKIMA (DC) çevrildikten sonra devreye verilir. Daha fazla bilgi için (Bkz: Elektrik Nasıl Üretilir?)  (Bkz: Alternatörün Yapısı Çalışması Parçaları)
Ana konu (Bkz: Temel Elektrik ve Elektriğin Esasları)
Bölüm 1 - 2 - 3 - 4 - 5