Geçmişten günümüze demiryolu taşımacılığı çeşitli süreçlerden geçmiş ve taşıma sisteminde pek çok değişiklik yaşanmıştır. Daha önceki dönemlerde yük ve yolcu taşımacılığı için buharlı ve dizel çekiş sistemleri kullanılırken günümüzde bunlar yerini giderek hibrit ve elektrikli çekiş sistemlerine bırakmaktadır. Bu sistemlerin temel bileşenlerinden biri olan cer motoru, elektrik enerjisini mekanik enerjiye çevirerek trenin hareketini sağlayan ve tekerleklere tork ileten bir elektrik motorudur.

Elektrik motorları raylı sistemlerde 100 yılı aşkın süredir kullanılmaktadır. Demiryolu taşıtında kullanılacak olan cer motorunun tasarımı ise sistem verimliliği açısından oldukça önemlidir. Gelin raylı sistemlerde kullanılan başlıca elektrikli cer motorlarını birlikte inceleyelim.
 

Doğru akım cer motorları, manyetik alan içinde bulunan iletkenlerden akım geçirilmesiyle çalışır. Endüktör, doğru akım motorlarında manyetik alanın meydana geldiği kısımdır, gerilim indüklenen ve iletkenleri taşıyan kısma ise endüvi denir. Endüviye (rotor) verilen doğru akım, endüktörün (stator) sağladığı manyetik alanla etkileşime girerek hareket kuvveti yani tork üretir. Kolektör ve fırçalar ise akımın yönünü sürekli değiştirerek motorun dönmesini sağlar. Seri bağlı doğru akım motorları, yüksek yol alma, yani kalkış momenti sunduğu için raylı sistemlerde yaygındır.

 

    Doğru Akım Motoru Yapısı                        DC Cer Motoru            

Avantajları

► Doğru akım cer motorları aşırı yüklenmeye karşı oldukça dayanıklıdır. Bu, demiryolu araçlarında motorun yüksek tork gerektiren kalkış ve hızlanma aşamalarında güvenilir performans sunmasını sağlar.
► Gerilim değişimi ile hız kontrolü açısından oldukça esnektir. Bu özellik, raylı sistemlerde hız ayarlamalarını kolaylaştırır.
► Doğru akım motorlarında düşük hızlarda bile tork eğrisinde ciddi bir düşüş gözlenmezken, alternatif akım motorlarında tork eğrisi belirgin şekilde düşebilir.

Dezavantajları

► Doğru akım cer motorları, kolektör ve kömür fırçalar gibi aşınan parçalar içerdiğinden düzenli bakım gerektirir. Bu, raylı sistemlerde bakım maliyetlerini artıran bir faktördür.
► Yapıları gereği AC motorlara kıyasla daha düşük verime sahiptir. Kolektör ve fırça kayıpları nedeniyle enerjinin bir kısmı ısıya dönüşerek boşa harcanır.
► Doğru akım cer motorları aşırı yüklenme durumlarında hızla ısındığı için ek soğutma sistemleri gerektirir, bu da maliyeti ve tasarım karmaşıklığını artırır. Ayrıca, aynı güçteki AC motorlara kıyasla daha büyük ve ağır olmaları, taşıt dinamiğini ve araç içi yerleşimi olumsuz etkileyebilir.
► DC motorların kutuplarına en fazla 1500V uygulanabilir. Daha yüksek güç elde etmek için iki motorun seri bağlanması gerekir, bu da enerji kayıplarını artırır.


Özetle; doğru akım cer motorları, yüksek tork ve kolay hız kontrolü gibi avantajlarıyla uzun yıllar raylı sistemlerde kullanılmıştır. Ancak yüksek bakım ihtiyacı, düşük verimlilik ve büyük boyut gibi dezavantajlar nedeniyle günümüzde yerini AC motorlara bırakmaktadır.

Asenkron motorlar, stator ve rotor olmak üzere iki ana bileşenden oluşur. Stator ve rotor üzerine açılan oluklarda 120° faz farklı yerleştirilen sargılar bulunmaktadır. Stator, motora alternatif akım uygulandığında döner bir manyetik alan oluşturur. Bu manyetik alan, rotor çubuklarında bir akım endükler ve böylece rotor manyetik alan üretir. Rotor, stator alanına yetişmeye çalışırken dönmeye başlar. Ancak, rotorun dönüş hızı, statorun döner manyetik alan hızına hiçbir zaman tam olarak yetişemez; bu dönüş hızı farkı "kayma frekansı" olarak adlandırılır. Asenkron motorlar, kayma oranına bağlı olarak güç ve hız ayarlaması yapabilen motorlardır.



      Asenkron Motorun Yapısı              Asenkron Cer Motoru


Asenkron motorlar, rotor yapısına göre bilezikli ve sincap kafesli olarak ikiye ayrılır. Demiryolu araçlarında sincap kafesli asenkron motor tercih edilir.


Avantajları

► Kömür fırçalar ve kolektör gibi aşınan parçalara sahip olmadığından, bakım gereksinimi düşüktür. 
► Bakım periyotları oldukça uzundur. Örneğin, sincap kafesli asenkron motorlarda bakım 1.200.000 km'de yapılmaktadır.

► Aynı güçteki doğru akım motorlarına kıyasla daha hafif ve daha az yer kaplar, böylece araç tasarımında esneklik sağlar.
► Alternatif akım sistemlerinde, elektrikli frenleme sırasında üretilen enerji tekrar şebekeye verilebilir. Bu, enerji verimliliğini artırır ve özellikle uzun mesafe trenlerinde önemli enerji tasarrufları sağlar. Örnek olarak, rejeneratif frenleme sayesinde tren ağırlığına, yol eğimine, durulan istasyon sayısına, yük-yolcu tren tipine göre ortalama olarak %15-20 arasında enerji tasarrufu sağlanabilmektedir.
► Asenkron motorların moment-hız karakteristiği sayesinde ray-tekerlek arasındaki sürtünme kuvveti en iyi şekilde kullanılır, patinaj ve aşınma azalır.
► Zorlu çevre koşullarına dayanıklıdır ve mekanik şoklardan daha az etkilenir.


Dezavantajları

► Asenkron motorların hız ve tork kontrolü için gelişmiş elektronik devrelere ihtiyaç duyulur. Bu, sistemi doğru akım motorlarına göre daha karmaşık hale getirir.
► Asenkron motorlar ilk çalıştırıldığında yüksek akım çeker. Bu nedenle motoru doğrudan şebekeye bağlamak yerine yumuşak yol vericiler veya invertör sistemleri kullanılmalıdır.
► Senkron motorlarla kıyaslandığında rotor akımı nedeniyle daha fazla kayıp oluşur. Bu, asenkron motorların verimliliğini düşürebilir.

Asenkron cer motorları, modern raylı sistemlerde giderek daha fazla kullanılmaktadır. Yüksek dayanıklılığı, bakım kolaylığı ve rejeneratif frenleme özelliği sayesinde elektrikli lokomotiflerde tercih edilmektedir. Ancak, hız kontrol sistemlerinin karmaşıklığı ve başlangıç akımı gibi bazı dezavantajları da göz önünde bulundurulmalıdır.

 

Raylı sistem araçlarında yeni uygulanmaya başlayan sabit mıknatıslı senkron motorlar stator ve rotordan oluşur ve yapıları sincap kafesli asenkron motorlara benzer. Sabit mıknatıslı senkron motorları sincap kafesli asenkron motorlardan ayıran en önemli özelliği, asenkron motorların rotorunda bulunan bakır çubuk ve alüminyum dolgu kafesinin yerine kalıcı mıknatısların olmasıdır. Bu mıknatıslar nadir topraktan elde edilen ve uygun teknoloji ile manyetik özelliği kazandırılan doğal mıknatıslardır.

Sabit mıknatıslı senkron motorların çalışma prensibinden bahsetmemiz gerekirse; stator, üç fazlı AC ile beslenerek döner bir manyetik alan oluştururken, rotor bu manyetik alanla senkronize bir şekilde döner. Rotorun hızı, statorun manyetik alanının hızına eşit olduğundan, motor "senkron" olarak adlandırılır. Bu etkileşim, rotor üzerinde bir tork oluşturarak motorun dönmesini sağlar.

Sabit Mıknatıslı Senkron Motor Yapısı

Avantajları

► Asenkron motorlarda rotor akımından kaynaklanan ısı kayıpları sabit mıknatıslı senkron motorlarda bulunmaz, bu da daha az soğutma ihtiyacı olacağı anlamına gelir.
► Aynı güçteki bir asenkron motora göre %25 daha hafif ve %30-35 daha küçük boyuttadır.
► Sabit mıknatıslı senkron motorlarda şebeke gerilimi değişimlerinin dönme momentine etkisi asenkron motorlara göre daha azdır.

Dezavantajları

► Yüksek enerjili mıknatısların fiyatlarının ve üretim giderlerinin yüksek olması nedeniyle sabit mıknatıslı senkron motorlar, doğru akım ve asenkron motorlara oranla daha pahalıdır.
► Generatör çalışma durumunda gerilim ayarı, uyarma akımı olmadığından dolayı yapılamaz.
► Eğer motor yüksek sıcaklıklara ulaşırsa, geri dönüşü olmayan manyetiklik kayıpları oluşabilir. Bu durum motorun performansını olumsuz etkiler.
 

Sonuç olarak; sabit mıknatıslı senkron motorlar, yüksek verimlilik, hafiflik, düşük bakım ihtiyacı ve güçlü tork üretimi gibi avantajlarıyla cer motorları arasında yerini almaktadır. Ancak yüksek maliyet ve sıcaklık hassasiyeti gibi dezavantajları da göz ardı edilmemelidir. Teknolojik gelişmelerle birlikte bu dezavantajların azaltılması, gelecekte sabit mıknatıslı senkron motorların raylı sistemlerdeki kullanımını yaygınlaştırabilir.

Elbette raylı sistemlerde kullanılan elektrik motorları sadece cer motorlarıyla sınırlı değildir. Raylı sistem araçlarında havalandırma, kapı açma-kapama, klima, kompresör gibi sistemler de irili ufaklı pek çok elektrik motoru içermektedir. Ancak bu yazımızda lokomotifin hareketini sağlayarak ana güç kaynağı olan cer motorlarına odaklandık.

Özetlemek gerekirse; raylı sistemlerde kullanılan cer motorları, taşıma verimliliği ve güvenliği açısından büyük bir öneme sahiptir. Gelişen teknoloji ile bu motorların daha verimli hale gelmesi, demiryolu taşımacılığın geleceğini şekillendirecektir.

Kaynakça

► Ulu, E., Bekiroğlu, K. N., Keskin Arabul, F., & Arabul, A. Y., (2022). Induction Traction Motor Design and Performance Analysis for Railways. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi , no.35, 243-251.
► Karadere, M. (2013)., Raylı Sistem Araçları Cer Motorlarının Dizayn Parametrelerinin Belirlenmesi ve Yerli İmalat İmkanlarının Araştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Bahçeşehir Üniversitesi
► MEB. (2013). Raylı Sistem Araçlarındaki Elektrik Motorları ve Kontrolü
► MEB. (2013). Raylı Sistem Araçlarının Yardımcı Devre Elektrik Sistemleri.
► https://icnn.com.tr/urun/dc-cer-motoru/