Design and implementation of a double-sided coreless linear motor

Lineer motor teknolojisi 1840'lara dayanmaktadır. Bilinen ilk model bir İngiliz mühendis olan Charles Wheatstone tarafından yapılmıştır, ancak bu model çok kullanışlı ve uygulanabilir olarak hatırlanmamaktadır. Elverişli ilk model, bir Alman mühendis olan Alfred Zehden tarafından 1905'te tasarlanmıştır. Bu model trenlerde ve asansörlerde kullanılmıştır. Uygulamalar daha da geliştirilerek en ileri şekliyle 1935'te Herman Kemper tarafından tasarlanmıştır. Yine de herşeye rağmen lineer motorun gelişimine en çok katkıda bulunan ve mucidi olarak tanınan kişi aynı zamanda Imperial College London profösörlerinden biri olan Eric Laithwaite'dir. Günümüzde elektrik motorlarından beklentiler oldukça fazladır. Bunlardan bazıları hafiflik, kontrol edilebilirlik, doğrudan tahrik, yüksek kuvvet/moment ağırlık oranı ve düşük bakım maliyeti olarak sıralanabilir. Bu saydığımız beklentiler, lineer motorlara olan ilgiyi son zamanlarda fazlasyla arttırmıştır. Lineer motorlar üzerine yapılan çalışmalar asenkron lineer motorlarla başlamış olsa da, lineer fırçasız doğru akım makinaları kontrol edilebilirliklerin çok daha kolay olması nedeniyle asenkron motorlarlara olan bu ilgiyi ikinci plana atmayı başarmıştır. Lineer motorlar en basit yapılarıyla, dönel bir motorun yarıçapı boyunca kesilip lineer hale getirilmiş durumu olarak tanımlanabilir. Lineer motorda momentden söz edilmez ve bu büyüklük yerini kuvvete bırakır. Lineer motorlar uzunlukları boyunca kuvvet üretirler. Kısa zamanda yüksek kuvvet değerlerine çıkabilmektedirler. Aktarma elemanlarının olmaması ve yapıları gereği bunlara ihtiyaç dahi olmaması döner hareketi lineer harekete çevirirken kaybedilen enerjiyi ortadan kaldırmaktadır. Dolayısıyla motor sürücüleri için daha hassas kontrol sağlamaktadır. Sanayide çeşitli alanlarda kullanılabilirler. Başlıca uygulama alanmaları, CNC tezgahları, robotik ve otomasyon uygulamaları, füze konumlama sistemleri, gen dizimi, konveyör sistemleri, vinç sistemleri ve manyetik levitasyon olarak sıralanabilir. Lineer motor üzerine yapılan çalışmala çoğunlukla Almanya ve Japonya'da yer almaktadır. Lineer motorların bugünkü en ileri teknolojisi, Japonya'da bir manyetik levitasyon uygulaması olan Maglev trenlerinde kullanılmaktadır. Bu tren son zamanlarda ulaştığı 600km/sa hız değeriyle dünya rekorunu kırmıştır [40]. Geçmiş uygulamalara bakıldığında, 10 yıl öncesinde bile lineer motorlar yük altında doğrusal olarak sadece 5m/sn gibi bir hızla hareket edebiliyorlardı. Bu düşünüldüğünde Japonya'daki uygulamalar lineer motor teknolojisinde devrim yaratmıştır denilebilir. Böylece pek kullanılmamakta olan lineer motor teknolojisi yeniden dünyanın ilgisini çekmeye başlamıştır. Lineer motorlar artık günümüzde basit yapıları ve düşük maliyetleri nedeniyle endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak güç faktörü ve veriminin çok yüksek olmaması bir dez avantaj olarak karşımıza çıkmaktadır. Günümüzde lineer motor teknolojisinden beklentiler eskiye göre çok daha ileri düzeydedir. Lineer motor uygulamalarından en dikkat çekenleri gen dizimi, tıp elektroniği ve roket konumlandırma olarak listenebilir. Bu nedenle özellikle hassas konumlandırma, lineer motor teknolojisinde her geçen gün çok daha fazla önem kazanmaktadır. Hassas konumlandırma özellikle belli durumlarda fazlasıyla dikkat edilmesi gereken bir husustur. Özellikle çok yüksek ve çok düşük hız durumu, hızlı ivmelenme ve hızlı yatışma süresi söz konusu olduğunda ön plana çıkar ve verimliliği arttır. Bu durum düzgün hareket ve aşırı hassas ayar gerektiren mekanik ve konumlama elemanlarının başlıca araştırma konusudur. Tüm bu araştırmalar esasında motorun değişken yüke ve uygulanan kontrol sinyaline çabuk cevap verebilmesini amaçlamaktadır. Lineer motorun çalışma ilkesi Lorentz ve Faraday yasasına dayanır. Lorentz kuvvet yasası içinden akım geçirilen bir iletkenin, akıma dik olarak endüklenmiş bir manyetik alana yerleştirilmesi sonucunda bu iletkene bir kuvvet etkiyeceği ve bu kuvvetin iletkeni hareket ettirmeye çalışacağını söylemektedir. Bunun yanında bu kuvvetin iletkendeki sarım sayısı, sargı akımı ve üretilen akı ile doğru orantılı olduğu bilinmektedir. Faraday yasası ise manyetik alan içerisinde bulunan bir iletken, bu alan içerisinde belirli bir hızla haraket ettirilirse bu iletken üzerinde bir gerilim endüklendiğini söyler. Bu fikirlerden yola çıkılarak var, tez çalışmasında yeni bir lineer motor tasarlanıp üretilmiştir. Çalışmanın amacı çift yanlı, hava çekirdekli yüksek konum hassasiyetine sahip lineer bir motor tasarlamaktır. Uygulama alanları robotik ve otomasyon uygulamaları olarak belirlenmiş ve motor jenerik olarak tasarlanmıştır. Motorun yapısı gereği tasarım amacına ulaşmaktadır. Hava çekirdekli yapı düzgün harekete olanak vermektedir. Bunun nedeni hareketli parça üzerinde fazladan manyetik yük bulunmaması ve bu yükün stator sırt demiri ile manyetik etkileşime girememesidir. Bu durum daha hassas kontrol olanağı sağlar. Çift yanlı yapı motorun çok yüksek ve çok düşük hızlarda çalışmasını ve daha hızlı ivmelenmesini sağlar. Bu durum ise tamamen çift yanlı yapının daha homojen bir alan dağılımı oluşturmasından kaynaklanır. Tasarlanan motorun problemi ısı ve kapladığı alan olarak belirlenmiştir. Motorun önemli üç ana bölümü bulunmaktadır, bunlar; mıknatıslar, sargılar ve stator sırt demiri olarak listelenmiştir. Lineer motorda 22 kutup çifti ve 6 sargı bulunmaktadır. Tasarım ANSYS-Maxwell programında gerçekleştirilmiş, yapılan çalışmalardan sonra sonuçlar tasarıma gönderilmiştir. Çalışmanın amacı çift taraflı hava çekirdekli ve yüksek konum hassasiyetine sahip bir lineer motor tasarlamaktır. Malzeme seçimi ANSYS-Maxwell kütüphanesinden gerçekte var olan malzemelere uygun olacak biçimde yapılmıştır. Malzemeler bakır, Steel_1010 ve NdFe35 olarak seçilmiştir. Samaryum kobalt gibi NdFeB mıknatısı da nadir toprak mıknatısları arasında yer almaktadır. Bu mıknatıslar genel olarak demir, bor ve neodyum alaşımından oluşur ve kimyasal formülü Nd2Fe14B olarak yazılır. Bu tip mıknatısların koersif kuvvetleri yüksek olup tıpkı ferrit mıknatıslar gibi enine mıknatıslanmaya uygundurlar. Sargılar alüminyum yerine bakır olarak seçilmiştir. Bakırın en iyi iletken olması bu kararda önemli rol oynamıştır. Tez çalışması yüksek hassasiyette bir lineer motor tasarlamak olup, bu uygulamanın endüstride bir çok alanda kullanılmasından dolayı iç parçalar ve bağlantı parçalarının jenerik olarak üretilmesine karar verilmiştir. Toplam motor ağırlığı 10.5 kg'dır. Hafif olması nedeniyle birçok yerde kullanılabilir ve taşıma kolaylığı sayesinde istenilen yere monte edilebilir. Elektriksel tasarımı motorun manyetik analizleri ve kontrol devresinin tasarlanması oluşturmaktadır. Bu tez çalışmasında sadece motorun elektrik, manyetik tasarımı ve üretimi anlatılmaktadır. Öncelikle motorun mekanik hesapları yapılmış ve bu hesplara dayanılarak motorun üç boyutlu çizimi gerçekleştirilmiştir. Üç boyutlu çizimden sonra analitik ve sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak iki boyutlu elektromanyetik hesaplarla motor tasarıma hazırlanmıştır. Bunu takiben motor üretimi gerçekleştirilmiş ve motor testlerine başlanmıştır. Motor tesleri ile sonlu elemanlar analizi arasında büyük tutarlılık görülmüştür. Tezin sonunda sonuçlar ve gelecekteki çalışmalar bölümüne yer verilmiş ve bu konudaki düşünceler belirtilmiştir. Sonlu elemanlar yöntemiyle motor tasarlandıktan sonra ilk olarak kuvvet hesabı el hesabı ile tekrar kontrol edilmiş ve analiz sonucu doğrulanmıştır. Ortaya çıkan ufak fark nümerik olup hata sınırları içerisinde kalmıştır. Sürücü devresi bir PWM devresi olup Maxwell Circuit Editor programında tasarlanmıştır. Motor tasarımını etkileyen faktörler giriş gerilimi, çıkış gücü ve anma hızı olarak bulunmuştur. Gerekli güç için en iyi tasarımı elde etmek doğru malzeme seçimi ve sargı optimizasyonu ile olmaktadır. Elektrik makinaları elektromekanik enerji dönüşümü yapan aygıtlardır. Elektrik enerjisi verilip mekanik enerji alınıyorsa buna motor çalışma, mekanik enerji verilip elektrik enerjisi alınıyorsa da buna jeneratör çalışma denmektedir. Elektrik makinaları iki ana başlık altında incelenebilir. Bunlar doğru akım ve alternatif akım makinaları olarak adlandırılabilir. Alternatif akım makinelerinin çalışma prensibi alternatif akımın sargılardan geçmesi ve hava aralığında döner alan oluşturması prensibine dayanır. Alternatif akım makinalarının alt dallarına bakılacak olursa senkron ve asenkron makinaları karşımıza çıkar. Senkron makinalar altında ise fırçasız doğru akım makinası bulunur. Doğru akım makinalarında ise manyetik alan doğrudan oluşur. Doğru akım makinaları komutasyon ve homopolar olarak iki ana gruba ayrılır. Komutasyon ile çalışan motorlardan biri de sabit mıknatıslı makinadır.Yani sabit mıknatıslı makinalar doğru veya alternatif akımla çalışabilir. Sabit mıknatıslı doğru akım makinaları adında doğru akım bulundursa da aslında alternatif akım makinaları altında yer almaktadırlar. Tasarlanan lineer motor fırçasız doğru akım makinası özelliklerini taşımaktadır. Endüklenen gerilimi ise sabit mıknatıslı senkron makinaya benzer. Bunun yanında lineer motorların tasarımlarına ilişkin özel sınıflandırmaları da bulunmaktadır. Örneğin, fırça tipine göre fırçalı ya da fırçasız lineer motorlar; stator şekline göre tüp şeklinde, çift yanlı ya da yassı lineer motorlar; çekirdek tipine göre ise demir çekirdekli, hava çekirdekli ve slotsu lineer motorlar olarak sıralanabilir. Tasarlanan lineer motor her grubun bir özelliğine sahip olmak üzere fırçasız, çift yanlı ve hava çekirdekli olarak bu listede yerini alır. Tasarlanan lineer motor sargıları üzerinde önemli optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Sonuçta üretilen motordaki tasarımda 4 mıknatısın karşısında 3 sargı olacak şekilde bir düzenleme yapılmış ve bunun diğer çalışmalarla kıyaslandığında en yüksek kuvvet değerini oluşturduğu görülmüştür. Motor tasarımının her aşaması sırasında bir bilgisayar programından yararlanılmıştır. Analizler sonlu elemanlar yöntemiyle yapılmıştır ve sargılar bu yöntemle yapılan analizler sonucunda optimize edilmiştir. Yapılan tetkiklerden sonra, motor üretimi ve montajı gerçekleştirilmiştir.