Çift uyartımlı küresel motorun manyetik, yapısal analizleri ve uygulaması

(1)

T.C.

PAMUKKALE ÜNĠVERSĠTESĠ

FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ

ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM

DALI

ÇĠFT UYARTIMLI KÜRESEL MOTORUN MANYETĠK,

YAPISAL ANALĠZLERĠ VE UYGULAMASI

YÜKSEK LĠSANS TEZĠ

UMUT YUSUF GÜNDOĞAR

(2)

T.C.

PAMUKKALE ÜNĠVERSĠTESĠ

FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ

ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM

DALI

ÇĠFT UYARTIMLI KÜRESEL MOTORUN MANYETĠK,

YAPISAL ANALĠZLERĠ VE UYGULAMASI

YÜKSEK LĠSANS TEZĠ

(3)

(4)

(5)

i

ÖZET

ÇĠFT UYARTIMLI KÜRESEL MOTORUN MANYETĠK, YAPISAL ANALĠZLERĠ VE UYGULAMASI

YÜKSEK LĠSANS TEZĠ UMUT YUSUF GÜNDOĞAR

PAMUKKALE ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI

(TEZ DANIġMANI:DOÇ. DR. YUSUF ÖNER) DENĠZLĠ, ARALIK - 2015

Günümüzde robotik sistemlerde, tıp alanında, otomotiv sektöründe ve endüstriyel uygulamalarda çok serbestlik dereceli hareket yapabilen küresel motorlara ihtiyaç vardır. Bu tez çalıĢmasında 24 VDC ile beslenen üç boyutlu hareket edebilen bir sabit mıknatıslı çift uyartımlı küresel motorun analizi, tasarımı ve uygulaması yapılmıĢtır. Çift uyartımlı küresel motor, stator ve rotor olmak üzere iki ana parçadan oluĢmakatadır. Statorda 12 adet sargı, rotorda ise 4 adet sabit mıknatıs mevcuttur. Küresel motorun hareket kabiliyetlerine göre tüm durumlar için sonlu elemanlar yöntemiyle çözüm yapan ANSYS Maxwell yazılımıyla elektromanyetik analizleri yapılmıĢtır. Ayrıca ANSYS Mechanical yazılımıyla yapısal analizleri yapılmıĢtır. Çift uyartımlı küresel motora ait sürücü devresi, ARM teknolojisine dayalı STM32F107VCT6 mikrokontrolörü ile kontrol edilmiĢtir.

ANAHTAR KELĠMELER: Küresel Motor, ANSYS Maxwell, ANSYS Mechanical, Sonlu Elemanlar Yöntemi.

(6)

ii

ABSTRACT

MAGNETICS, MECHANICAL ANALYSIS AND IMPLEMENTATION OF DOUBLE EXCITED SPHERICAL MOTOR

MSC THESIS

PAMUKKALE UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERING

(SUPERVISOR:ASSOC. PROF. DR. YUSUF ÖNER) DENĠZLĠ, DECEMBER 2015

Today spherical motor which multi degree of freedom motion ability is needed in robotic systems, medical, automotive industry, industrial applications. In this thesis, the permanent magnet double excited spherical motor which has three dimensional motion ability and works 24 VDC, was designed, analyzed and controlled. The double excited spherical motor consists two main parts stator and rotor. Stator has 12 coils and rotor has 4 permanent magnet. The spherical motor was analyzed for all situations of motion abilities with ANSYS Maxwell electromagnetics software based on finite element method. In addition, structural analyzes were performed with ANSYS Mechanical software. Drive circuit of double excited spherical motor is controlled by STM32F107VCT6 microcontroller based on the ARM technology.

KEYWORDS: Spherical Motor, ANSYS Maxwell, ANSYS Mechanical, Finite Element Method.

(7)

iii

ĠÇĠNDEKĠLER

Sayfa ÖZET ... i ABSTRACT ... ii ĠÇĠNDEKĠLER ... iii ġEKĠL LĠSTESĠ ... vi SEMBOL LĠSTESĠ ... ix ÖNSÖZ ... x 1. GĠRĠġ ... 1 2. KÜRESEL MOTORLAR ... 2

2.1 Küresel Motorların Tarihi Ve GeliĢimi ... 2

2.2 ÇalıĢma Prensiplerine Göre Küresel Motorlar ... 4

2.2.1 Küresel Ġndüksiyon Motoru ... 5

2.2.2 Yüksek Hızlı Küresel Motor ... 6

2.2.3 DeğiĢken Relüktanslı Küresel Motor ... 8

2.2.4 Küresel Adım Motoru ... 10

2.2.5 Küresel Ultrasonik Motor ... 11

2.2.6 Yüksek Torklu Küresel Motor ... 13

2.2.7 Ġki Serbestlik Dereceli Küresel Motor ... 14

2.2.8 Sabit Mıknatıslı Küresel Motor ... 16

3. KÜRESEL MOTORLARDA KULLANILAN MALZEMELER ... 19

3.1 YumuĢak Demir Malzeme Ve Özellikleri ... 19

3.2 Sabit Mıknatıslar ... 20

3.2.1 Sabit Mıknatıs ÇeĢitleri Ve Özellikleri ... 22

3.3 Teflon Malzeme Ve Özellikleri ... 23

4. KÜRESEL MOTORUN TASARIMI ... 24

4.1 Küresel Motorun Tasarımı Ve Modellenmesi ... 25

4.2 Küresel Motoru OluĢturuan Yapılar ... 26

4.2.1 Küresel Motorun Stator Yapısı ... 26

4.2.2 Küresel Motorun Rotor Yapısı ... 28

4.2.3 Küresel Motorun DıĢ Yapısı ... 30

4.2.4 Küresel Motorun Genel Yapısı ... 31

5. KÜRESEL MOTORUN ANALĠZLERĠ ... 32

5.1 Sonlu Elemanlar Yöntemi ... 32

5.2 Tork Ve Kuvvet Hesaplaması ... 33

5.2.1 Lorentz Kuvveti Ve Torku ... 33

5.2.2 Zahiri ĠĢ Kuvveti Ve Torku ... 34

5.3 ANSYS Maxwell Ġle Küresel Motorun Elektromanyetik Analizleri . 35 5.3.1 Model OluĢturma ... 35

5.3.2 Malzemelerin Belirlenmesi ... 36

5.3.3 Sınır ġartları Ve Uyarmaların Belirlenmesi ... 36

5.3.4 Hesaplanacak Parametrelerin Yazılıma Girilmesi ... 38

5.3.5 Çözüm Ağı OluĢturma ... 39

5.4 Küresel Motorun Elektromanyetik Analizlerinin Ġrdelenmesi ... 39

5.4.1 Küresel Motorun Rotor Analizi ... 40

5.4.2 α=0° Pozisyonu Ġçin Küresel Motorun Manyetik Analizi ... 42

(8)

iv

5.5 ANSYS Mechanical Ġle Küresel Motorun Yapısal Analizleri ... 46

5.5.1 ANSYS Workbench Ġle Çoklu Fizik Bağlantı Ve ÇalıĢma ... 46

5.5.2 Malzemelerin Belirlenmesi ... 47

5.5.3 Sınır ġartları Ve Uyarmaların Belirlenmesi ... 48

5.5.4 Hesaplanacak Parametrelerin Yazılıma Girilmesi ... 49

5.5.5 Çözüm Ağı OluĢturma ... 50

5.6 Küresel Motorun Yapısal Analizlerinin Ġrdelenmesi ... 50

5.6.1 α=0° Pozisyonu Ġçin Küresel Motorun Yapısal Analizi ... 50

5.6.2 α=30° Pozisyonu Ġçin Küresel Motorun Yapısal Analizi ... 51

6. KÜRESEL MOTORUN PROTOTĠPĠ ... 53

6.1 Küresel Motorun Prototipini OluĢturan Yapılar ... 53

6.1.1 Küresel Motorun Stator Yapısının Prototipi ... 53

6.1.2 Küresel Motorun Rotor Yapısının Prototipi ... 54

6.1.3 Küresel Motorun DıĢ Yapısının Prototipi ... 55

7. KÜRESEL MOTORUN KONTROLÜ ... 56

7.1 ARM Ġle Küresel Motorun Kontrolü ... 56

7.1.1 ARM Kontrol Kartı ... 57

7.1.2 Sürücü Devresi ... 59

7.2 Sargıların Akım Sıralarının Belirlenmesi ... 62

8. SONUÇLAR VE ÖNERĠLER ... 63 9. KAYNAKLAR ... 67 10. EKLER ... 72 EK A Kontrol Yazılımı ... 73 EK B1 +Y Ekseninde Hareket ... 79 EK B2 -Y Ekseninde Hareket ... 80 EK B3 +X Ekseninde Hareket ... 81 EK B4 -X Ekseninde Hareket ... 82

EK B5 +X+Y Ekseninde Hareket ... 83

EK B6 -X-Y Ekseninde Hareket ... 84

EK B7 +X-Y Ekseninde Hareket ... 85

EK B8 -X+Y Ekseninde Hareket ... 86

EK C1 Küresel Motorun +Y Yönü Elektromanyetik Analizleri ... 87

EK C2 Küresel Motorun -Y Yönü Elektromanyetik Analizleri ... 91

EK C3 Küresel Motorun +X Yönü Elektromanyetik Analizleri ... 95

EK C4 Küresel Motorun -X Yönü Elektromanyetik Analizleri ... 99

EK C5 Küresel Motorun +X+Y Yönü Elektromanyetik Analizleri ... 103

EK C6 Küresel Motorun -X-Y Yönü Elektromanyetik Analizleri ... 107

EK C7 Küresel Motorun +X-Y Yönü Elektromanyetik Analizleri ... 111

EK C8 Küresel Motorun -X+Y Yönü Elektromanyetik Analizleri ... 115

EK D1 Küresel Motorun +Y Yönü Yapısal Analizleri ... 119

EK D2 Küresel Motorun -Y Yönü Yapısal Analizleri ... 120

EK D3 Küresel Motorun +X Yönü Yapısal Analizleri ... 121

EK D4 Küresel Motorun -X Yönü Yapısal Analizleri ... 122

EK D5 Küresel Motorun +X+Y Yönü Yapısal Analizleri ... 123

EK D6 Küresel Motorun -X-Y Yönü Yapısal Analizleri ... 124

EK D7 Küresel Motorun +X-Y Yönü Yapısal Analizleri ... 125

EK D8 Küresel Motorun -X+Y Yönü Yapısal Analizleri ... 126

EK E1 Küresel Motorun +Y Yönü TorkGrafiği ... 127

EK E2 Küresel Motorun -Y Yönü Tork Grafiği ... 128

(9)

v

EK E4 Küresel Motorun -X Yönü Tork Grafiği ... 130

EK E5 Küresel Motorun +X+Y Yönü Tork Grafiği ... 131

EK E6 Küresel Motorun -X-Y Yönü Tork Grafiği ... 132

EK E7 Küresel Motorun +X-Y Yönü Tork Grafiği ... 133

EK E8 Küresel Motorun -X+Y Yönü Tork Grafiği ... 134

(10)

vi

ġEKĠL LĠSTESĠ

Sayfa

ġekil 2.1: Küresel indüksiyon motorunun stator kutbu ... 5

ġekil 2.2: Küresel indüksiyon motoru ... 6

ġekil 2.3: Yüksek hıza sahip küresel motor ... 7

ġekil 2.4: Yüksek hıza sahip küresel motorun iç yapısı ve dönüĢ yönleri ... 8

ġekil 2.5: Lee ve arkadaĢları tarafından geliĢtirilen değiĢken relüktanslı küresel motor ... 9

ġekil 2.6: Wang ve arkadaĢları tarafından geliĢtirilen değiĢken relüktanslı küresel motor ... 10

ġekil 2.7: Um ve arkadaĢları tarafından geliĢtirilen küresel adım motoru ... 11

ġekil 2.8: Küresel ultrasonik motor ... 12

ġekil 2.9: Küresel ultrasonik motorun hareket yönleri ... 12

ġekil 2.10: Kahlen’in tasarımını yaptığı küresel motor ... 13

ġekil 2.11: Kahlen'in tasarladığı küresel motorun stator sargıları ve rotoru ... 14

ġekil 2.12: Ġki serbestlik dereceli harekete sahip küresel motorun yapısı ... 15

ġekil 2.13: Ġki serbestlik dereceli küresel motorun stator yapısı ... 15

ġekil 2.14: Ġki serbestlik dereceli küresel motorun rotor yapısı... 16

ġekil 2.15: Sabit mıknatıslı küresel motor ... 17

ġekil 2.16: Sabit mıknatıslı küresel motorun katı modeli ve stator kutupları ... 17

ġekil 2.17: Sabit mıknatıslı küresel motorun prototipi ... 18

ġekil 3.1: YumuĢak demir malzemenin B-H eğrisi ... 20

ġekil 3.2: Sabit mıknatısın histerezis döngüsü ... 21

ġekil 4.1: ANSYS Maxwell yazılımı ve Draw menüsünün görüntüsü ... 25

ġekil 4.2: Küresel motorun ANSYS Maxwell ile oluĢturulan stator nüveleri .. 26

ġekil 4.3: Satorun farklı açılardan görünüĢü ... 27

ġekil 4.4: Sargıların farklı açılardan görünüĢü ... 27

ġekil 4.5: Tasarlanan stator yapısı ... 28

ġekil 4.6: Küresel motorun rotor yapısı ve sabit mıknatıslar ... 29

ġekil 4.7: Küresel motorun tasarlanan rotor yapısı ... 29

ġekil 4.8: Sabit mıknatısların yönleri ... 30

ġekil 4.9: Küresel motorun dıĢ yapısı ... 31

ġekil 4.10: ANSYS Maxwell ile tasarlanan küresel motorun genel yapısı ... 31

ġekil 5.1: Küresel motorun modeli ... 35

ġekil 5.2: Küresel motordaki yapıların malzemelerinin belirlenmesi ... 36

ġekil 5.3: Küresel motorun sınır Ģartları içindeki hali ... 37

ġekil 5.4: Sargılardaki uyarmalar ve değerlerinin belirtilmesi ... 38

ġekil 5.5: Tork parametresinin belirlenmesi ... 38

ġekil 5.6: Küresel motorun çözüm ağı oluĢturulmuĢ hali ... 39

ġekil 5.7: N ve S kutuplarının manyetik akı yoğunluğu vektörel gösterimi ... 40

ġekil 5.8: Sabit mıknatısların manyetik akı yoğunluğu vektörel dağılımı ... 41

ġekil 5.9: Sabit mıknatısların manyetik akı yoğunluğu dağılımı ... 41

ġekil 5.10: Rotor ile sabit mıknatısların manyetik akı yoğunluğu dağılımı ... 42

ġekil 5.11: Küresel motorun pozitif X yönünde α=0° pozisyonu için manyetik akı yoğunluğu dağılımı ... 43

ġekil 5.12: Küresel motorun pozitif X yönünde α=0° pozisyonu için manyetik akı yoğunluğu vektörel dağılımı... 44

(11)

vii

ġekil 5.13: Küresel motorun pozitif X yönünde α=30° pozisyonu için

manyetik akı yoğunluğu dağılımı ... 45

ġekil 5.14: Küresel motorun pozitif X yönünde α=30° pozisyonu için manyetik akı yoğunluğu vektörel dağılımı... 46

ġekil 5.15: ANSYS Workbench yazılımında çoklu fizik çalıĢma bağlantısı .... 47

ġekil 5.16: ANSYS Mechanical yazılımında malzemelerin belirlenmesi ... 48

ġekil 5.17: ANSYS Mechanical yazılımında küresel motorun sabit ve kontak noktaları ... 49

ġekil 5.18: ANSYS Mechanical yazılımında hesaplanacak parametreler ... 49

ġekil 5.19: ANSYS Mechanical yazılımında küresel motorun çözüm ağı ... 50

ġekil 5.20: Küresel motorun pozitif X yönünde α=0° pozisyonu için deformasyon ve stres analizi sonuçları ... 51

ġekil 5.21: Küresel motorun pozitif X yönünde α=30° pozisyonu için deformasyon ve stres analizi sonuçları... 52

ġekil 6.1: Prototipi oluĢturulan ve gerçeklenen stator yapısı ... 53

ġekil 6.2: Prototipi oluĢturulan ve gerçeklenen rotor yapısı ... 54

ġekil 6.3: Prototipi oluĢturulan ve gerçeklenen küresel motorun dıĢ yapısı ... 55

ġekil 7.1: Kontrol sisteminin blok diyagramı ... 57

ġekil 7.2: STM32F107VCT6 mikrokontrolörü ... 57

ġekil 7.3: Regülatör devresi ... 58

ġekil 7.4: Kontrol kartı ve dokunmatik ekran ... 59

ġekil 7.5: L298N motor sürücü kartı ... 60

ġekil 7.6: Proteus ISIS programında çizilen L298N sürücü devresi ... 61

ġekil 7.7: Küresel motorun sürücü devresi ... 61

ġekil 7.8: Sargıların akım sırasının gösterimi ... 62

ġekil 8.1: Küresel motorun prototipi ve hareket yönleri ... 63

ġekil 8.2: Küresel motorun X eksenindeki tork grafiği ... 64

ġekil 8.3: Küresel motorun X ile Y koordinatlarının bileĢkelerindeki tork grafiği ... 64

ġekil 8.4: Küresel motorun ve kontrol sisteminin prototipi ... 66

ġekil B.1: +Y ekseninde hareket ... 79

ġekil B.2: -Y ekseninde hareket ... 80

ġekil B.3: +X ekseninde hareket ... 81

ġekil B.4: -X ekseninde hareket ... 82

ġekil B.5: +X+Y ekseninde hareket ... 83

ġekil B.6: -X-Y ekseninde hareket ... 84

ġekil B.7: +X-Y ekseninde hareket ... 85

ġekil B.8: -X+Y ekseninde hareket ... 86

ġekil C.1.1: α=0° ve 5° pozisyonu +Y yönü manyetik akı yoğunluğu ... 87

ġekil C.1.4: α=30° pozisyonu +Y yönü manyetik akı yoğunluğu ... 90

ġekil C.2.1: α=0° ve 5° pozisyonu -Y yönü manyetik akı yoğunluğu ... 91

ġekil C.2.4: α=30° pozisyonu -Y yönü manyetik akı yoğunluğu ... 94

ġekil C.3.1: α=0° ve 5° pozisyonu +X yönü manyetik akı yoğunluğu ... 95

(12)

viii

ġekil C.4.1: α=0° ve 5° pozisyonu -X yönü manyetik akı yoğunluğu ... 99

ġekil C.4.4: α=30° pozisyonu -X yönü manyetik akı yoğunluğu ... 102

ġekil C.5.1: α=0° ve 5° pozisyonu +X+Y yönü manyetik akı yoğunluğu ... 103

ġekil C.5.2: α=10° ve 15° pozisyonu +X+Y yönü manyetik akı yoğunluğu .. 104

ġekil C.5.3: α=20° ve 25° pozisyonu +X+Y yönü manyetik akı yoğunluğu .. 105

ġekil C.5.4: α=30° pozisyonu +X+Y yönü manyetik akı yoğunluğu ... 106

ġekil C.6.1: α=0° ve 5° pozisyonu -X-Y yönü manyetik akı yoğunluğu ... 107

ġekil C.6.2: α=10° ve 15° pozisyonu -X-Y yönü manyetik akı yoğunluğu .... 108

ġekil C.6.3: α=20° ve 25° pozisyonu -X-Y yönü manyetik akı yoğunluğu .... 109

ġekil C.6.4: α=30° pozisyonu -X-Y yönü manyetik akı yoğunluğu ... 110

ġekil C.7.1: α=0° ve 5° pozisyonu +X-Y yönü manyetik akı yoğunluğu ... 111

ġekil C.7.4: α=30° pozisyonu +X-Y yönü manyetik akı yoğunluğu ... 114

ġekil C.8.1: α=0° ve 5° pozisyonu -X+Y yönü manyetik akı yoğunluğu ... 115

ġekil C.8.4: α=30° pozisyonu -X+Y yönü manyetik akı yoğunluğu ... 118

ġekil D.1: α=0° ve 30° pozisyonu +Y yönü stres ve deformasyon ... 119

ġekil D.2: α=0° ve 30° pozisyonu -Y yönü stres ve deformasyon ... 120

ġekil D.3: α=0° ve 30° pozisyonu +X yönü stres ve deformasyon ... 121

ġekil D.4: α=0° ve 30° pozisyonu -X yönü stres ve deformasyon ... 122

ġekil D.5: α=0° ve 30° pozisyonu +X+Y yönü stres ve deformasyon ... 123

ġekil D.6: α=0° ve 30° pozisyonu -X-Y yönü stres ve deformasyon ... 124

ġekil D.7: α=0° ve 30° pozisyonu +X-Y yönü stres ve deformasyon ... 125

ġekil D.8: α=0° ve 30° pozisyonu -X+Y yönü stres ve deformasyon ... 126

ġekil E.1: α=0°-30° pozisyonlarında +Y yönü tork grafiği ... 127

ġekil E.2: α=0°-30° pozisyonlarında -Y yönü tork grafiği ... 128

ġekil E.3: α=0°-30° pozisyonlarında +X yönü tork grafiği ... 129

ġekil E.4: α=0°-30° pozisyonlarında -X yönü tork grafiği ... 130

ġekil E.5: α=0°-30° pozisyonlarında +X+Y yönü tork grafiği ... 131

ġekil E.6: α=0°-30° pozisyonlarında -X-Y yönü tork grafiği ... 132

ġekil E.7: α=0°-30° pozisyonlarında +X-Y yönü tork grafiği ... 133

(13)

ix

SEMBOL LĠSTESĠ

DC : Doğru Akım

V : Volt

PWM : Darbe GeniĢlik Modülasyonu

N : Newton

Nm : Newtonmetre

LCD : Kristal Ekran Paneli

LED : IĢık Yayan Diyot

NdFeB : Neodyum Demir Bor Mıknatıs

SmCo : Samaryum Kobalt

ARM : Acorn RISC Machine

DSP : Dijital Sinyal ĠĢleme

Pa : Pascal

T : Tesla

B : Manyetik Akı Yoğunluğu

H : Manyetik Alan ġiddeti

rpm : Devir Sayısı

Hz : Hertz Frekans Birimi

kB : Kilobayt

A : Amper

𝑩𝒓 : Kalıcı Akı Yoğunluğu

𝑯𝒄 : Mıknatıslanma Gidericiliği

P : Sabit Mıknatıs Doyum Noktası

F : Kuvvet (N)

T : Tork (Nm)

J : Akım Yoğunluğu (A/mm2)

𝑾𝒎 : Manyetik Enerji Yoğunluğu

r : Dönme Eksenine Dik Moment Kolu

𝑭𝑳 : Lorentz Kuvvveti

(14)

x

ÖNSÖZ

Öncelikle, hayatımda her zaman yanımda olduklarını koĢulsuz hissettiren, her daim hem maddi hem manevi desteklerini gösteren aileme teĢekkür etmeyi bir vazife olarak görüyorum. ÇalıĢma süresince bilgilerinden faydalandığım, sabrı ve hoĢgörüsü ile birlikte destekleri ve yardımları için saygıdeğer hocam Doç. Dr. Yusuf ÖNER’e ve zaman ayırarak emeğini gözardı edemeyeceğim arkadaĢım Metin ERSÖZ'e gönülden teĢekkürlerimi sunarım. Tez sürecimde hem uygulamada hem de analizlerde destek olan FĠGES A.ġ.'ye, tez ile ilgili bilgileri ve fikirleriyle aydınlatan Dr. Remzi ARTAR'a, tez sürecim boyunca gönülden destekleyen Dr. Deniz BÖLÜKBAġ'a, yapısal analizlerde yardımcı olan Ufuk KÜTEN'e ve her durumda yardımcı olan tüm çalıĢma arkadaĢlarıma teĢekkür ederim.

(15)

1

1. GĠRĠġ

Robotik ve endüstriyel alanda eksenel hareketler, uygulamaların çok yönlü sistemleri içinde barındırması ve hassas hareket kabiliyetleri ile çalıĢmalar yapılabilmesi için oldukça önemli bir yere sahiptir. Teknolojik geliĢmeler ile uygulama alanlarında çok yönlü hareket kabiliyetlerine ihtiyaç artmaktadır. Her bir eksen veya yön için farklı bir motor kullanmak gerekirken küresel motorların sayesinde her yön için tek bir küresel motor aynı görevi görmektedir. Böylece hem sistemi oluĢturacak eleman sayısı azalmakta hem de tek bir küresel motorla tüm iĢlevler yerine getirilebilmektedir.

Endüstriyel uygulama alanlarındaki çeĢitlilik ve her alanın kendine özgü ihtiyacına uygun olacak Ģekilde küresel motorlar tasarlanıp geliĢtirilmektedir. Performans gerektiren hareketlerdeki kontrol sistemlerine uygun olacak Ģekilde küresel motorlar uygulamalara uyarlanabilir hale getirilmektedir. Böylece küresel motorlar her uygulama alanına göre çalıĢabilmesi için çeĢitlendirilerek eksenlere göre doğrusal hareket ve bir eksen etrafında dönme kabiliyetlerine sahip olmaktadır. Tüm mevcut durumlar ve incelemelerle birlikte tezde uygulaması gerçekleĢtirilen küresel motorun rotorunun, stator sargılarının belirli yönlerdeki hareketini sağlaması için enerjilendirilerek istenilen hareket yeteneğine ulaĢması sağlanmıĢtır.

Küresel motorlar genel yapıları itibariyle statorun ya da rotorun hareketli olduğu doğrusal ve üç eksenli hareketleri yapabilen elektromekanik sistem olarak tanımlanabilir. Küresel motorlar kontrol sistemleriyle her eksen için hareket etme özelliğini istenen durumlarda yapabilmektedirler.

Yapılan bu tez çalıĢmasında çift uyartımlı küresel motorun rotoru, dört adet sabit mıkantıstan ve motor milinden oluĢmaktadır. Stator yapısı ise iki adet stator bloğundan meydana gelmektedir. Her bir stator bloğunda altı adet sargı olacak Ģekilde, statorda toplamda 12 adet sargı mevcuttur. Küresel motorun dıĢ yapısı ise teflon malzeme ile çevrelenerek dıĢ etkilerden korunma sağlanmıĢtır. Küresel motor, ARM teknolojisinden yararlanılarak doğrusal olarak 8 adet hareket yeteneğine sahip olacak Ģekilde sürücü devreleri ile kontrolü sağlanmıĢtır.

(16)

2

2. KÜRESEL MOTORLAR

2.1 Küresel Motorların Tarihi Ve GeliĢimi

Teknolojinin zaman içinde hızlı ve sürekli geliĢimi çoğu sektörde olduğu gibi robotik sektörün de uygulama yelpazesini arttırmıĢtır. Zamanla bazı sistemlerde birden fazla eksende hareket kabiliyetine sahip olan uygulamalara ihtiyaç duyulmuĢtur. Bunun için hem sistemi oluĢturan parçaların azaltılması hem de hareket kabiliyetinin çok fonksiyonlu olması gerekliliği oluĢmuĢtur. Böylece robotik alandaki geliĢmeler çok serbestlik dereceli hareket kabiliyetine sahip küresel motorların da ilerlemesine olumlu yönde katkı sağlamıĢtır.

Küresel motorların geçmiĢi 1950’li yıllara kadar uzanmaktadır. Ġlk küresel motor üzerine çalıĢmalar Manchester Üniversitesi’nde Williams ve Laithwaite tarafından yapılmıĢtır. Williams ve Laithwaite çalıĢmalarının sonucunda statoru küre Ģeklinde olan indüksiyon motorunu tasarlamıĢlardır (Williams ve diğ. 1956, Williams ve diğ. 1959, Laithwaite 1960). Tasarlanan motorun çalıĢma prensibi hareket halinde olan statorunda yer alan sacların yerleĢim düzenin farklılığına dayanmaktadır. Tasarlanan indüksiyon motorunun ölçüleri oldukça büyük olduğundan dolayı kayıpların ve güç tüketiminin oldukça fazla olmasıyla tasarımı da oldukça karmaĢıktır.

Yapılacak hareketlerin daha hassas olması adına küresel motorların ağırlıklarının ve büyüklüklerinin optimize edilmesi gerektiği görülmüĢtür. Bu durum göz önüne alındığında, Vachtsevanos ve arkadaĢları rotoru küre Ģeklinde olan yeni bir küresel motor tasarlamıĢlardır (Vachtsevanos ve Davey 1987, Vachtsevanos ve Davey 1988). Yeni tasarlanan küresel motorda küçük ve hassas derecede hareketlerin yapılabilirliği görülmüĢtür.

Hollis ve arkadaĢları mevcut yapılan çalıĢmalar ıĢığında robotik sistemlerin geliĢtirilmesiadına eĢ zamanlı olarak çalıĢmalar gerçekleĢtirmiĢlerdir. Sihirli Bilek adını verdikleri 6 serbestlik dereceli hareket kabiliyetine sahip küresel motoru tasarlamıĢlardır. Küresel motorun çalıĢma prensibini matematiksel olarak modelleyerek, PID denetleyiciye bağlı basit yaklaĢımlarla küresel hareket kabiliyetine sahip bileği hareket ettirmiĢlerdir (Hollis ve diğ. 1987, Salcudean ve Hollis 1988, Hollis ve diğ. 1991).

(17)

3

Fransa’da Foggia ve arkadaĢları 60˚ hareket kabiliyetine sahip üç bağımsız eksen üzerinde dönen farklı bir küresel motor tasarımını sunmuĢlardır (Foggia ve diğ. 1988). Motor üzerinde bulunan sargılara farklı durumlarda uyarmalar verilerek küresel hareket kabiliyetini yapması sağlanmıĢtır.

Kaneko ve arkadaĢları sürekli olarak dönebilme özelliğine ve 15˚ açısal hareket yeteneğine sahip üç serbestlik dereceli küresel DC motoru geliĢtirmiĢlerdir (Kaneko ve diğ. 1988). Tasarım incelendiğinde motordaki yataklar tarafından hareket yeteneği 15˚ ile sınırlı olduğu görülmektedir.

ABD’de Lee ve arkadaĢları, küresel motorlar ile ilgili araĢtırmalar ve çalıĢmalar gerçekleĢtirmiĢlerdir (Lee ve Shah 1988a,b

, Lee ve Arjunan 1991). Üç eksenli hareket kabiliyetinin paralel Ģekilde ve hassas düzeyde olması adına piezoelektrik elemanları kullanarak gerçekleĢtirilebilmesi için incelemeler yapmıĢlar ve geliĢtirmiĢlerdir.

Kahlen ve De Doncker, Aachen Üniversitesi desteğiyle yüksek tork kabiliyetine sahip bir küresel motor geliĢtirmiĢlerdir (Kahlen ve De Doncker 2000). Bu küresel motorun statorunda 96 adet sargı, rotorunda ise yedi sıradan oluĢan ve her bir sırada 16 adet sabit mıknatıs bulunacak Ģekilde toplamda 112 sabit mıknatıs mevcuttur. Deneyler sonucunda tüm pozisyonlarda yaklaĢık 40 Nm tork değerine sahip olduğu görülmüĢtür.

Johns Hopkins Üniversitesi’nden Chirikjian ve arkadaĢları statorun rotoru tamamen saracak biçimde olmadan daha rahat hareket kabiliyeti sağlayacak Ģekilde mekanik yapıda bir küresel step motorunu geliĢtirmiĢlerdir (Stein ve Chirikjian 2000).

BirleĢik Krallık’tan Wang ve arkadaĢları, milinde küçük video kamera taĢıyan üç eksenli hareket kabiliyetine sahip sabit mıknatıslı farklı bir küresel motor geliĢtirmiĢlerdir (Wang ve diğ. 1998a,b, Wang ve diğ. 2001). Motor, dört kutuplu sabit mıknatıs içeren küresel rotordan ve dairesel dört bobin içeren tek statordan oluĢmaktadır.

Lee ve arkadaĢları, yüksek hızlı olarak sürekli dönen küresel motor milinin yönünü açık döngü kontrol sistemi ile değiĢtirebilen bir tasarım geliĢtirmiĢlerdir (Lee ve diğ. 2005a,b

, Lee ve diğ. 2009).

(18)

4

Ġlerleyen zamanlarda Cho ve arkadaĢları, Lee ve arkadaĢlarının tasarımından esinlenerek üç eksenli hareket yeteneğine sahip yüksek hızlı küresel motoru geliĢtirmiĢlerdir (Cho ve diğ. 2008, Kang ve diğ. 2009).

Chirikjian ve arkadaĢları üç eksenli hareket kabiliyetine sahip adım motorunu geliĢtirmiĢlerdir ( Stein ve Chirikjian 2000, Chirikjian ve Stein 1999, Stein ve diğ. 2003, Stein ve diğ. 2001). Daha sonra Li, aynı motorun yapısını değiĢtirerek performansını iyileĢtirme çalıĢmaları gerçekleĢtirmiĢtir (Li 2009).

Um ve Yano, rotorunda sabit mıknatısların yer aldığı küresel adım motorunu geliĢtirmiĢtir (Um ve Yano 2009).

Toyama, 1996 yılında çalıĢmalarına baĢladığı küresel ultrasonik motoru geliĢtirmiĢtir (Toyama ve Kobayashi 1996). Daha sonra üç adet halka Ģeklinde statora sahip küresel ultrasonik motoru geliĢtirmiĢtir (Mashimo ve diğ. 2009).

Ġlerleyen yıllarda geliĢtirilen ve çeĢitlendirilen motorlar dahilinde geliĢmeler de devam etmiĢtir. Kumagai ve Hollis, 4 Nm değerinde tork üretebilen ve 300 rpm hızında üç eksenli hareket yeteneğine sahip küresel indüksiyon motorunu geliĢtirmiĢlerdir (Kumagai ve Hollis 2013).

Bhatia ve arkadaĢları, teknolojik geliĢmeler ıĢığında geçmiĢ yıllarda tasarlanan küresel motorlardan esinlenerek altı adet stator kutbuna sahip ve mobil robotlarda kullanılması için tasarlanan küresel indüksiyon motorunu geliĢtirmiĢlerdir (Bhatia ve diğ. 2015).

2.2 ÇalıĢma Prensiplerine Göre Küresel Motorlar

Robotik alanlarda, tıpta, otomobil sektöründe ve endüstriyel uygulama alanlarında geliĢmelere bağlı olarak küresel motorların yeteneklerine duyulan ihtiyaç gün geçtikçe artmaktadır. Bu durum küresel motorların kullanım alanlarının yaygınlaĢmasına ve buna bağlı olarak her kullanım alanına uygun olacak Ģekilde çeĢitli yapılarda küresel motorların tasarlanıp geliĢtirilmesine zemin hazırlamaktadır. Teknolojik ilerlemelerin hız kazanmasıyla kullanım alanlarına göre küresel motorların çeĢitlendirilerek geliĢtirilme ihtiyacı doğmaktadır.

(19)

5 2.2.1 Küresel Ġndüksiyon Motoru

Bhatia ve arkadaĢları, altı adet stator kutbuna sahip ve üç boyutlu hareket yapabilen küresel indüksiyon motorunu geliĢtirmiĢlerdir. Her stator sargısı, rotorun kutup eksenine göre 10˚ burulma açısına sahip olacak Ģekilde rotorun çevresinde eĢit aralıklarla konumlandırılmıĢtır (Bhatia ve diğ. 2015).

Rotorun içi boĢ yumuĢak çelik çekirdekten, dıĢı ise bakır kabuktan oluĢmaktadır. Stator ise C5 izolasyon malzemesi ile yalıtılmıĢ M19 laminasyonlu silisli saclardan oluĢmaktadır.

Stator sargıları 12 oluğa, 3 faz ve 4 rotor kutbuna uygun olacak Ģekilde dağıtılmıĢtır. ġekil 2.1’de altı stator kutbundan bir tanesi sargılarıyla birlikte gösterilmektedir.

ġekil 2.1: Küresel indüksiyon motorunun stator kutbu

Küresel indüksiyon motorunun uygulamasında 100 ms süre içinde 8 Nm tork değerine ulaĢılmıĢtır. ġekil 2.2’de Bhatia ve arkadaĢlarının tasarladığı küresel indüksiyon motoru görülmektedir.

(20)

6

ġekil 2.2: Küresel indüksiyon motoru

Ġlerleyen çalıĢmalarda küresel indüksiyon motorunun performansını iyileĢtirme adına, tasarlanan altı stator kutbuna sahip küresel indüksiyon motoruna yüksek güç vektörü sürücülerinin dahil edilebileceği belirtilmiĢtir.

2.2.2 Yüksek Hızlı Küresel Motor

UlaĢım araçlarının tekerlerinde (Clarke 2002), teknelerde, helikopterde veya sualtı araçlarında, jiroskoplarda ve takım tezgahlarında dönen bazı aksamların daha farklı açılarla hareket kabiliyetinin sağlanmasını ve kontrolünü gerektirir. Yakıt hücresi teknolojisinin geliĢimi ve düĢük maliyetli elektrikli araçlarla büyüyen alternatif motor tasarımı ihtiyacı, yüksek hızlı ve kontrolü basit küresel motorların geliĢimini sağlamıĢtır ( Lee ve Son 2005b

, Peter 2004). GeliĢmekte olan teknolojiye ve artan ihtiyaca yönelik olaarak yüksek hız ile üç boyutlu hareket kabiliyetine sahip olan küresel motoralar ile ilgili geliĢmeler ve ilerlemeler kaydedilmiĢtir.

(21)

7

Kang ve arkadaĢları rotoru sabit mıknatıslardan ve küresel statoru da bobinlerden oluĢan bir küresel motor tasarlamıĢlardır. Yüksek hıza sahip küresel motor üç boyutlu uzayda bobinler ve mıknatıslar arasındaki oluĢturulan manyetik hizalamayı kullanarak tork oluĢumunu sağlamaktadır. Böylece motor Ģaftı stator bobinlerinin konumuna göre hareket etmektedir. ġekil 2.3’te Kang ve arkadaĢlarının tasarlamĢ olduğu küresel motor gösterilmektedir (Kang ve diğ. 2009).

ġekil 2.3: Yüksek hıza sahip küresel motor

Bu küresel motorun yapısı incelendiğinde rotorunda 4 adet sabit mıknatıs ve statorunun iç yüzeyinde 12 adet bobin bulunmaktadır. Her bobin 400 sarımdan oluĢmaktadır. ġekil 2.4’te stator bobinleri enerjilendiğinde rotor milinin pozisyonuna göre dönüĢ eksenleri ve yüksek hıza sahip küresel motorun iç yapısı görülmektedir.

(22)

8

ġekil 2.4: Yüksek hıza sahip küresel motorun iç yapısı ve dönüĢ yönleri

Prototipi oluĢturulan küresel diĢli motorun uygulama sonuçlarına göre ±18˚ açısal değerlerde eğilme hareketi yaptığı ve 160 rpm hızında da dönme hareketi gerçekleĢtirdiği görülmüĢtür. Eğilme hareketlerini gerçekleĢtiriken tasarlanan küresel motor 0,04 Nm tepe değerinde tork ürettiği görülmüĢtür. Yüksek hızlarda hareket kabiliyetine sahip küresel motorlar geliĢtirilerek hız kabiliyetleri 400 rpm değerlerine kadar yükseltilebilmektedir.

2.2.3 DeğiĢken Relüktanslı Küresel Motor

DeğiĢken relüktanslı küresel motorlar, küresel motor sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. DeğiĢken relüktanslı motorun, izotropik özelliklere sahip ve tasarım açısından basit ve kompakt bir yapıda olmasıyla geniĢ bir hareket alanı vardır. GeniĢ hareket aralığı, yüksek tork ve hız özelliklerine sahiptir.

DeğiĢken relüktanslı motorlarda genellikle hem stator hem de rotor küre Ģeklindedir. Lee ve arkadaĢları, değiĢken relüktanslı küresel motorla ilgili çalıĢmalar gerçekleĢtirmiĢlerdir (Lee ve diğ. 1994). ġekil 2.5’te Lee ve arkadaĢları tarafından geliĢtirilen ve stator kutuplarının bobinler tarafından sarıldığı, her bobinin ayrı ayrı enerjilendirilebildiği değiĢken relüktanslı küresel motor gösterilmektedir.

(23)

9

ġekil 2.5: Lee ve arkadaĢları tarafından geliĢtirilen değiĢken relüktanslı küresel motor

Rotorun sabit mıknatıstan oluĢtuğu, stator kutuplarının da rotorun yüzeyine simetrik olarak dağıldığı görülmektedir. Hem stator hem de rotor küresel yapıdadır. Motorun tork değeri, akım giriĢleriyle rotor ve stator kutupları arasındaki hava aralığındaki manyetik relüktansa bağlıdır.

Wang ve arkadaĢları, tasarlanmıĢ olan küresel relüktans motorlardan esinlenerek ve aynı prensipleri kullanarak yeni bir değiĢken relüktanslı küresel motor geliĢtirmiĢlerdir (Wang ve diğ. 2003, Ackermann ve diğ. 2004).

GeliĢtirilen değiĢken relüktanslı küresel motorun sabit mıknatıslı rotoru, stator tarafından yüzeyler arası sürtünme düĢük seviyede olacak Ģekilde kaplanmıĢtır. ġekil 2.6’da Wang ve arkadaĢları tarafından geliĢtirilen değiĢken relüktanslı küresel motor gösterilmektedir.

(24)

10

ġekil 2.6: Wang ve arkadaĢları tarafından geliĢtirilen değiĢken relüktanslı küresel motor

Wang ve arkadaĢları tarafından geliĢtirilen değiĢken relüktanslı küresel motorda üretim toleransları nedeniyle hem rotor hem stator mükemmel küreler Ģeklinde değillerdir.

2.2.4 Küresel Adım Motoru

Um ve arkadaĢları, sabit mıknatısların bulunduğu rotordan ve rotoru çevreleyen statordan meydana gelen bir adım motoru geliĢtirmiĢlerdir (Um ve Yano 2009). ġekil 2.7’de küresel adım motoru gösterilmektedir.

(25)

11

ġekil 2.7: Um ve arkadaĢları tarafından geliĢtirilen küresel adım motoru

Demirden yapılmıĢ 52 mm iç çapına sahip rotorun yüzeyineiki farklı kutup monte edilmiĢtir. Kutuplardan biri 4 çift sabit mıknatıstan (NdFeB) oluĢmaktadır. Diğeri ise 6 adet olup demirden yapılarak rotora konumlandırılmıĢtır. Stator ise toplamda rotor yüzeyine orantılı olarak konumlandırılmıĢ Ģekilde 23 adet bobinden oluĢmaktadır. Kutupların rotora ve bobinlerin rotor yüzeyine geometrik olarak orantılı biçimde konumlandırılması küresel motorun yüksek torkla çalıĢması için avantaj sunmaktadır. Sabit mıknatıslar ve bobinler arasındaki etkileĢim geleneksel üç fazlı adım motoru ile benzerdir. Böylece benzer kontrol sistemi kullanıldığı için kontrol sistemi de kolaylaĢmıĢ olmaktadır (Um ve Yano 2009).

2.2.5 Küresel Ultrasonik Motor

DıĢ rotora ve çok yönlü hareket kabiliyetine sahip bir ultrasonik küresel motor, birden fazla hareket konumu ihtiyacı olduğu robotik uygulamalarda kullanılabilir. ġekil 2.8’de gösterilen küresel ultrasonik motor, küresel kabuk Ģeklindeki dıĢ rotordan, döner Ģafttan ve iki adet stator kutbundan oluĢmaktadır (Lu ve Aoyagi 2012).

(26)

12

ġekil 2.8: Küresel ultrasonik motor

Küresel ultrasonik motora bakıldığında, dıĢ rotor statoru çevreleyeyecek Ģekilde konumlandırılmıĢtır. Sekil 2.9’da stator kutuplarının enerjilendirildiğinde küresel ultrasonik motorun hareket kabiliyetleri gösterilmiĢtir.

(27)

13

Küresel ultrasonik motorun hangi yönde hareketi isteniyorsa ilgili ve doğru stator kutupları enerjilendirilerek hareket sağlanmıĢ olur. Küresel ultrasonik motorun uygulama sonuçlarına göre X ve Y eksenindeki hareketler için stator kutuplarını enerjilendirecek sürücü frekansı 47,86 kHz iken, Z eksenindeki hareket için stator kutuplarını enerjilendirecek sürücü frekansı 37,40 kHz değerinde olduğu görülmüĢtür.

Çok yönlü hareket edebilen küresel ultrasonik motorun performansının iyileĢtirilmesi ve yüksek tork elde edilebilmesi için daha hafif malzemelerden dizayn edilmesi gerektiği belirtilmiĢtir.

2.2.6 Yüksek Torklu Küresel Motor

Kahlen ve De Doncker, üç serbestlik dereceli dönebilme kabiliyetine sahip bir küresel motor tasarımı yapmıĢtır (Kahlen ve De Doncker 2000). Kahlen’in tasarladığı küresel motorda, rotor sabit mıknatıs kutuplarından meydana gelmektedir. Küresel motorun rotoru enine ve boyuna parçalara ayrılarak arada kalan alanlara kutupları farklı olacak Ģekilde sabit mıknatıslar yerleĢtirilmiĢtir. Stator, rotoru tam olarak çevrelemese de yarısından fazlasını sarmaktadır. Statorda 96 adet yumuĢak demirden meydana gelen nüve ve bu nüveler üzerine sarılı elektromıknatıslar bulunmaktadır (Kahlen ve De Doncker 2002). ġekil 2.10’da Kahlen’in tasarımını yaptığı küresel motor gösterilmektedir.

(28)

14

Küresel motorun genel yapısı oldukça ağır bir yapıya sahip olmuĢtur. Küresel motorun hareket kabiliyetlerinin daha hassas olması ve iyileĢtirilmesi için 96 adet stator nüvesine sayıca yakın olacak kadar rotor kutbu kullanılmıĢtır. Stator nüvelerinin ve rotor kutuplarının sayı olarak biribirine yaklaĢmayısladaha hassas adım hareketleri yapabilme kabiliyeti sağlanmıĢtır. ġekil 2.11’de Kahlen’in tasarladığı küresel motorun stator sargıları ve rotoru gösterilmektedir.

ġekil 2.11: Kahlen'in tasarladığı küresel motorun stator sargıları ve rotoru Daha hassas hareket kabiliyetinin sağlanması ve iyileĢtirilmesi için stator sargılarının arttırılması beraberinde küresel motorun kontrolünü zorlaĢtırmıĢtır.Bu yüzden küresel motor darbe geniĢlik modülasyonu (PWM) voltaj kontrollü olarak çalıĢtırılmıĢ, statordaki sargı sayısının fazla olması sebebiyle dijital sinyal iĢleme (DSP) ile kontrolü gerçekleĢtirilmiĢtir.

2.2.7 Ġki Serbestlik Dereceli Küresel Motor

Ġki serbestlik dereceli küresel motor, üç eksenel hareketten ikisini yapabilmektedir. Kendi ekseni etrafında dönüĢ hareketini veya tek bir eksene yönelik doğrusal hareketini sağlayacak Ģekilde uygun sargılar enerjilendirilmelidir. Böylece küresel motorun, istenen yönde hareketlerini yapması sağlanmıĢ olur. ġekil 2.12’de iki serbestlik dereceli hareket kabiliyetine sahip küresel motorun genel yapısı gösterilmektedir (Lee ve diğ. 2008).

(29)

15

ġekil 2.12: Ġki serbestlik dereceli harekete sahip küresel motorun yapısı

ġekil 2.13’te gösterildiği gibi stator kısmında kutuplar kapalı bir akı döngüsü oluĢturmak için rotoru saracak Ģekilde tasarlanmıĢtır.

ġekil 2.13: Ġki serbestlik dereceli küresel motorun stator yapısı

Statorda toplamda 12 kutup mevcuttur. Stator fazları 90˚ aralıklarla yerleĢtirilerek rotordaki ana ve yardımcı kutupların hareket etmesini sağlar.

ġekil 2.14’te gösterildiği gibi rotorda oluĢan akılar üst üste olmayacak Ģekilde kapalı bir çevrim dahilinde rotorun hareketini sağlayabilecek durumdadır.

(30)

16

ġekil 2.14: Ġki serbestlik dereceli küresel motorun rotor yapısı

Motorun yapısı incelendiğinde stator dıĢ yarıçapı 75 mm ve iç yarıçapı 36 mm olacak Ģekilde tasarlanmıĢtır. Rotorun yarıçapı ise 35 mm uzunluğundadır. Ġki serbestlik dereceli küresel motor hareket ettirildiğinde 0,02 Nm ile 0,03 Nm değerinde bir tork ürettiği görülmüĢtür.

2.2.8 Sabit Mıknatıslı Küresel Motor

Üç serbestlik dereceli küresel motor tasarımı geleneksel silindirik motor yapılarından mekanizma olarak farklılık gösterir. Hanyang Üniversitesi’nde üç serbestlik dereceli sabit mıknatıslı küresel motor tasarımı ve performans iyileĢtirme çalıĢmaları yapılmıĢtır (Lee ve diğ. 2012). ġekil 2.15’te rotoru 4 adet sabit mıknatıstan oluĢan ve statoru dönüĢ hareketini sağlamak için rotorun alt kısmında 6 adet ve üst kısmında 6 adet olmak üzere toplam 12 bobinden oluĢan sabit mıknatıslı küresel motorun yapısı gösterilmektedir.

(31)

17

ġekil 2.15: Sabit mıknatıslı küresel motor

Sabit mıknatıslı küresel motora konumlandırılan enkoder sayesinde motorun pozisyonu algılanmaktadır. Statoru oluĢturan her bobin 500 sarım sayısına sahiptir.

Tasarlanan sabit mıknatıslı küresel motorun statorunun farklı demir malzemelerden oluĢmasıyla küresel motorun performans parametreleri incelenmiĢtir. Sabit mıknatıslı küresel motorun saf demirden oluĢan stator nüvesiyle tork değeri 0,48 Nm iken, iĢlenmiĢ demirden oluĢan stator nüvesiyle tork değeri 0,53 Nm olduğu görülmüĢtür.

Üzerinde çalıĢılan sabit mıknatıslı küresel motorun robotik uygulamalarda kullanılabilmesi için elektromanyetik ve mekanik sistemlere ihtiyacı olduğu belirtilmiĢtir.

Bir diğer sabit mıknatıslı küresel motor çalıĢmasına bakıldığında, sabit mıknatıslardan oluĢturulan küresel rotor ve uygun Ģekilde sargı düzenlemesine sahip bir küresel motor tanımlanmaktadır. ġekil 2.16’da tasarlanan küresel motorun stator kutupları ve küresel motoru katı modeli gösterilmektedir.

(32)

18

Küresel rotor düĢük sürtünmeli teflon yüzey kaplamalı bir stator içine yerleĢtirilmiĢtir. Stator üzerindeki 8 adet bağımsız enerjilendirilebilen sargı akının artırılması için bir dıĢ küresel kabukla çevrelenmiĢtir. Analitik olarak formülasyonu yapılmıĢ manyetik alan dağılımı ve tork değerleri Ansoft Maxwell 3D kullanılarak sonlu elemanlar analizi ile ve deneysel olarak doğrulanmıĢtır. Tasarımı yapılan ve uygulanan sabit mıknatıs rotorlu küresel motor 360° dönme hareketinin yanında 45˚ aĢağı-yukarı hareketi yapabilmektedir (Öner 2004). ġekil 2.17’de küresel motorun prototipi gösterilmektedir.

(33)

19

3. KÜRESEL MOTORLARDA KULLANILAN MALZEMELER

Endüstriyel standartlarda tasarımları oluĢturulan ya da üretilen elektrik makinelerinde malzeme özellikleri büyük önem taĢır. Malzeme özellikleri elektrik makinesinin performansını önemli ölçüde etkileyeceği için seçilecek malzemelerin uygunluğu bu konuda da önem taĢımaktadır. Küresel motorların tasarımında genellikle sabit mıknatıslar, iletken ve yalıtkan malzemeler, manyetik malzemeler kullanılmaktadır. Manyetik malzeme olarak yumuĢak demir kullanımı manyetik devrelerin tamamlanması için ideal bir malzemedir. Manyetik geçirgenlik açısından yüksek özellik gösteren yumuĢak demir malzeme aynı zamanda kayıplar konusunda da düĢük özellik gösterir (Gürdal 2001).

3.1 YumuĢak Demir Malzeme Ve Özellikleri

Elektromekanik sistemlerde manyetik malzemelerin yüksek manyetik geçirgenliğe sahip olmaları istenmektedir. Ayrıca kayıpların sıcaklığı yükseltip verimi düĢürmesinden dolayı malzemenin düĢük kayıp özelliğine sahip olması gerekmektedir. Ġstenen durumlara bakıldığında bu isterleri etkileyen birçok faktör olduğu için elektromekanik sistemlerde kullanılmak üzere böyle bir malzemenin tüm özellikleri kendisinde olması beklenemez (Gürdal 2001).

DüĢük kayıp ve yüksek manyetik geçirgenlik özelliklerine sahip olması gereken malzeme için bazı gereksinimler oluĢmaktadır. Malzemede girdap akımlarından doğacak olan kayıpların düĢük seviyelere çekilmesi için ince ve yüksek alaĢım içeriğine sahip olması beklenirken, manyetik histerezislikten oluĢacak kayıpların düĢük seviyelere çekilmesi için ise kalın ve malzeme yüzeyinin mükemmele yakın olması gereksinimleri oluĢmaktadır. Bir diğer yandan da yüksek manyetik geçirgenlik için düĢük alaĢım içeriği ve iyi dokuya sahip olma gibi gereksinimler beklenmektedir. Dolayısıyla tüm bu özellikleri bir arada kendinde bulunduran bir malzeme bulmak zordur. Bunun için kimsayal olarak ya da alaĢım özelliği oluĢturmak adına uygun malzemeler birleĢtiririlerek istenen özelliklere yakın bir malzeme elde edilebilir.

(34)

20

YumuĢak demir malzeme de kolay manyetikleĢme özelliğine sahip ve manyetik geçirgenliği yüksektir. Yok edici manyetik alan kuvvetleri oldukça küçük değerdedir. YumuĢak demir malzeme %97 değerinde demirden ve %3 değerinde silikondan oluĢmaktadır. Demire silikon malzeme daha fazla ilave edildiğinde demirin kırılgan bir yapıya dönüĢmesine neden olur. Silikonun demire ilavesiyle oluĢan alaĢım, saf demirin özdirencinin yaklaĢık 4 katına çıkmaktadır. ġekil 3.1'de yumuĢak demir malzemenin B-H eğrisi görülmektedir.

ġekil 3.1: YumuĢak demir malzemenin B-H eğrisi

Elektrik motorlarında, küresel motorlarda , jeneratörlerde, transformatörlerde ve elektromıknatısların çekirdeklerinde yumuĢak demir malzeme kullanılmaktadır. Elektromekanik sistemlerin çoğunda kullanılan yumuĢak demir tasarlanan küresel motorun statorunda ve sargı nüvelerinde yüksek ve kararlı manyetik özelliği sebebiyle kullanılmıĢtır.

3.2 Sabit Mıknatıslar

Sabit mıknatısların geliĢimine bakıldığında 1935’li yıllarda ilk olarak Alnico mıknatıslar karĢımıza çıkmaktadır. Daha sonra bu sıralamayı 1960’lı yıllarda Ferrit mıknatıslar ve 1975’li yıllarda samaryum kobalt (SmCo) mıknatıslar izlemiĢtir. Son olarak tüm mıknatıslar içinde en yüksek enerjiye sahip olan neodyum mıknatıslar (NdFeB) geliĢtirilmiĢtir.

Sabit mıknatıslar bulundukları ortamda veya sistemde uyarma olmadan manyetik alan oluĢturabilirler. Sabit mıknatıslar kobalt, nikel ve demir gibi malzemelerin alaĢımlarından meydana gelirler. B-H eğrileri, kalıcı akı yoğunluğu (𝐵𝑟) ve mıknatıslanmayı giderici kuvveti

(35)

21

(𝐻𝑐) oldukça yüksek değerdedir. Sabit mıknatısların kalıcı akı yoğunluklarının yüksek

değerlere sahip olmasıyla oluĢan manyetik döngünün yüksek değerde manyetik alanı desteklemesini sağlar. ġekil 3.2’de sabit mıknatısın histerezis döngüsü gösterilmektedir.

ġekil 3.2: Sabit mıknatısın histerezis döngüsü

Histerezis döngüsüne bakıldığında 0 ile S noktası arasındaki eğri baĢlangıç mıknatıslanma eğrisidir. Sabit mıknatıs malzeme S noktasında doyuma ulaĢır. Sabit mıknatıs malzeme S noktasında doyuma ulaĢtıktan sonra, mıknatıslanma alanı dengeli olarak azalarak sabit mıknatısın kalıcı akı yoğunluğu (𝐵_𝑟) değerine ulaĢır. 𝐵_𝑟 değeri, sabit mıknatıs malzemenin üretebileceği manyetik akı değeri olarak gösterilebilir.

Manyetik alanın arttırılması ve yönünün değiĢtirilmesi durumunda sabit mıknatısın karakteristiğinin en önemli bölgesi (𝐵_𝑟) değerinden (-𝐻_𝑐) değerine doğru azalan demanyetizasyon eğrisidir. Sabit mıknatıstaki manyetik akı yoğunluğu değerinin sıfır olduğu (-𝐻_𝑐) manyetik alan değeri gidericilik olarak bilinmektedir.

Mıknatıslanma alanının artması ise ters yönde sabit mıknatıs malzemeyi S’ noktasında doyuma ulaĢtırır. Histerezis eğrisi, manyetik alan azaltılarak negatif yöndeki mıknatıs kalıcı akı yoğunluğu değerine (-𝐵𝑟) ulaĢır. Daha sonra ise uygulanan manyetik alanın tersi yönünde

(36)

22 3.2.1 Sabit Mıknatıs ÇeĢitleri Ve Özellikleri

Sabit mıknatıslar zamanla geliĢtirilerek farklı özelliklere sahip malzemelerle çeĢitlendirilmiĢtir. GeliĢimle birlikte çeĢitlenen mıknatıslar özelliklerine göre sınıflandırılabilir. Sabit mıknatıslar, oluĢtukları malzemeler göz önüne alınarak sınıflandırma yapıldığında metal, seramik ve nadir toprak olarak ele alınabilir (Svoboda 2004).

Metal mıknatıslara bakıldığında, çelik mıknatıslar ilk geliĢtirilen mıknatıslardır. Zaman içinde farklı alaĢımlar neticesinde mıknatıslar geliĢtirilmiĢtir. GeliĢimle birlikte metal mıknatıslar içinde Alnico en iyi ve uygun mıknatıs türü olarak değerlendirilebilir.

Alnico mıknatıslar artık mıknatısiyet ile çalıĢma sıcaklığının yüksek olması özelliklerine sahiptir. Maksimum çalıĢma sıcaklığı 500˚C değerinde olsa da 450˚C sıcaklık değerinde yüzeyinde kararmalar oluĢabilmektedir. Curie sıcaklığı ise 900˚C değerindedir. Yüksek sıcaklıkta çalıĢabilme özelliğinin yanında fiziksel zorlanmalarla birlikte kırılgan bir yapıda olabilmektedir.

Demir oksitten meydana gelen Ferrit mıknatıslar seramik mıknatıs olarak da adlandırılabilir. Gidericilik özellikleri yüksektir. Demanyetizasyon eğrisi incelendiğinde doğrusal olduğu görülür. Ferrit mıknatıslar sert olduklarından dolayı kırılgan yapıya sahip olmalarına rağmen kullanım alanı oldukça fazladır. Curie sıcaklığı 450˚C değerindedir. Maksimum çalıĢma sıcaklığı 250˚C ile 300˚C sıcaklık değerleri arasındadır.

Nadir toprak mıknatıslara bakıldığında Alnico ve Ferrit mıknatıslara göre daha fazla enerjiye sahip olduklarından kullanım alanları oldukça yaygındır. Nadir toprak mıknatıslar kobalta dayalı (SmCo) ve demire dayalı (NdFeB) olarak ikiye ayrılırlar.

SmCo mıknatıslar genellikle sıkıĢtırıldıktan sonra birleĢtirilerek üretilirler. Neodyum mıknatıslara göre daha ucuz olması ve kullanım yerine göre yeterli ise tercih edilebilmektedirler. SmCo mıknatıslar anizotropik özelliğe sahip olduklarından dolayı sadece oryantasyon yönüne göre mıknatıslanma sağlarlar.

SmCo mıknatıslar mekaniksel olarak yüksek dayanıma sahiptir. Bunun yanı sıra Curie sıcaklık değerlerinin 700˚C ile 800˚C arasında olması ve maksimum çalıĢma sıcaklıklarının 300˚C değerine yakın olması kullanım alanlarını geniĢletmektedir. Samaryum alaĢımlarının

(37)

23

geliĢmesiyle yaklaĢık 550˚C sıcaklık değerlerine yakın olacak Ģekilde çalıĢma özelliğine sahip olabilmektedirler.

NdFeB mıknatıslar, sabit mıknatıslar içinde en çok kullanılan ve yüksek enerjiye sahip mıknatıs çeĢididir. NdFeB mıknatısların Curie sıcaklığı yaklaĢık 310˚C değerindedir. Yüksek sıcaklık değerlerinde sabit mıknatıslar manyetik özelliklerini yitirmeye baĢlarlar ve akı yoğunluğunda değiĢimler meydana gelir (Svoboda 2004). NdFeB sabit mıknatısların çalıĢma sıcaklığı 80˚C ile 220˚C aralığında değiĢtiği söylenebilir. ÇalıĢma sıcaklıklarının düĢük seviyelerde olması NdFeB mıknatısların dezavantajı olarak görülebilir fakat hacim ve ağırlık bakımından daha küçük değerlerde sabit mıknatısların kullanılması gerektiği durumlarda da avantajlıdır. Uçaklarda, robotik uygulamalarda, elektrik makinelerinde kullanımı tercih edilmektedir.

3.3 Teflon Malzeme Ve Özellikleri

Teflon malzemenin kimyasal ve aĢınma dayanımının yüksek olması, sürtünme katsayılarının düĢük olması önemli özellikleri arasındadır. Bunun yanı sıra mekanik dayanımı ve elektriksel özellikleri de oldukça iyidir. Bulunduğu ortamdaki hava Ģartlarından kolay etkilenmemekle birlikte yüksek ısı değerlerine dayanıklı yapıdadır (Nanotech Plastic, 2015).

Genellikle kimyasal reaksiyon ve sonucundaki aĢınma veya dayanım durumlarını içeren uygulama alanlarında ya da mekanik aksam uygulamalarında kullanılmaktadır.

(38)

24

4. KÜRESEL MOTORUN TASARIMI

Tüm sistemlerin tasarımında kendine özgü dikkate alınması gereken durumlar mevcut olduğu gibi elektrik makinelerinin tasarımında da aynı durum geçerlidir. Elektrik makinelerinin tasarımı ve modellenmesi aĢamalarında birçok parametre dikkate alınarak ilerlenmesi gerekir. Elektrik makinelerinin tasarımında birçok problem çözüm gerektirdiği için en uygun tasarım olması beklenemez. Tasarım ve modelleme aĢamasında elektromanyetik, yapısal, ısıl, akustik, mekanik gibi önemli mühendislik alanları dikkate alınması gerekir. Tasarımın ticari bir boyuta taĢınabilmesi için tüm dikkate alınması gereken durumlar incelenmelidir.

Mühendislik problemlerinde sonlu elemanlar yöntemiyle birçok uygulama alanında analizler gerçekleĢtirilerek tasarım aĢaması hakkında bilgi sahibi ve öngörü elde edilebilmektedir. Sonlu elemanlar yöntemiyle analizler gerçekleĢtiren yazılımlarda tasarlanmak istenen yapının, hem geometrik modeli hem de performans parametreleri incelenerek optimize edilebilmektedir. Dolayısıyla gerçeklenerek prototipi oluĢturulmak istenen tasarım hakkında ön bilgiler elde edilerek hem maliyet açısından kazanç hem de performans açısından iyileĢtirmeler sağlanabilmektedir.

Analizlerin daha hassas gerçekleĢebilmesi için modellenecek olan tasarımın malzeme bilgilerinin, geometri bilgisinin, uyarma ve sınır Ģartlarının iyi bir Ģekilde belirlenmesi ve yazılıma girilmesi gerekir. OluĢacak tasarımın özellikleri ve istenilen performans durumları karĢılanıncaya kadar hem model geometrisinde hem de uyarmalar, sınır Ģartları gibi diğer parametrelerde değiĢiklikler yapılarak analizler tekrarlanabilmektedir.

Sonlu elemanlar yöntemiyle analizler gerçekleĢtiren yazılımlar bilgisayar destekli olarak prototip oluĢturulmadan yapılması gereken birçok araĢtırma ve inceleme konularını içeren çözümler sunmaktadır. Çok karmaĢık yapılar ya da geometriler hakkında analizler sayesinde bilgiler sunmaktadır.

ANSYS Maxwell, hem iki boyutlu hem de üç boyutlu elektromekanik sistemlerde ve modellerde elektromanyetik analizlerin sonlu elemanlar yöntemiyle gerçekleĢtirilebildiği bir yazılımdır (ANSYS Maxwell 2015). Küresel motorun elektromanyetik analizlerinde ANSYS

(39)

25

Maxwell yazılımı kullanılmıĢtır. Küresel motorun yapısal analizeleri de sonlu elemanlar yöntemiyle ANSYS Mechanical yazılımı ile yapılmıĢtır (ANSYS Mechanical 2015).

4.1 Küresel Motorun Tasarımı Ve Modellenmesi

Küresel motorun tasarımı ve modellenmesi için ANSYS Maxwell yazılımı kullanılmıĢtır. ANSYS Maxwell ile katı modellerin tasarımı ve üç boyutlu sonlu elemanlar yöntemiyle elektromanyetik analizleri yapılabilmektedir. Analizin hangi türde yapılacağı seçildikten sonra oluĢturulacak katı model için çizim iĢlemine baĢlanabilmektedir. ANSYS Maxwell yazılımı ile tasarım aĢamasında Ģekiller üç boyutlu olarak çizilebildiği gibi birçok çizim programında oluĢturulmuĢ olan üç boyutlu modeller de kullanılabilmektedir. Draw menüsü ya da ekranda bulunan Draw menüsünün kısa yolları kullanılarak katı model oluĢturulur. Bu iĢlem bittikten sonra Draw menüsü kapatılarak ana menüye ve katı modelin bulunduğu ekrana tekrar dönülür. ġekil 4.1’de ANSYS Maxwell yazılımının arayüzü ve Draw menüsü gösterilmektedir.

ġekil 4.1: ANSYS Maxwell yazılımı ve Draw menüsünün görüntüsü

Küresel motorun modelinin çizimi ve oluĢturulması ANSYS Maxwell yazılımındaki çizim komutları kullanılarak gerçekleĢtirilmiĢtir.

ANSYS Maxwell yazılımında modellenerek analizleri gerçekleĢtirilen küresel motor, analiz sonuçlarının değerlendirilmesinden sonra uygulama aĢamasına geçilebilir.

(40)

26 4.2 Küresel Motoru OluĢturan Yapılar

Tasarlanan küresel motorun modeli genel yapısı itibariyle rotordan ve statordan oluĢmaktadır. Küresel motorun tasarımında iki adet aynı yapıda stator bulunmaktadır. Her bir stator yapısında 6 adet sargı olmak üzere toplamda 12 adet sargı küresel motorun statorunu oluĢturmaktadır. Rotor kısmı ise küresel bir yapıdadır ve küresel yapı içinde 4 adet sabit mıknatıs mevcuttur. Rotorun ortasına da motorun yönünü tayin etmede yardımcı olan mil modellenmiĢtir. Tüm yapılar silindirik bir yapı içine alınarak küresel motorun modellenmesi ve tasarımı tamamlanmıĢtır.

4.2.1 Küresel Motorun Stator Yapısı

Tasarlanan küresel motorun statoru 12 kutuptan oluĢmaktadır. 6 kutuplu iki stator bloğu mevcuttur. Bu stator blokları 19 mm mesafe aralığında tasarlanmıĢtır. Böylece kutup ayaklarına sarılacak sargılara yer bırakılmıĢtır. Stator kutuplarının küresel rotor ile arasındaki hava aralığı her kutup ayağı ile aynı mesafede olması gerekeceği tasarım yapılırken dikkate alınmıĢtır. ANSYS Maxwell yazılımındaki geometrik yapılar kullanılarak stator yapısı oluĢturulmuĢtur. ġekil 4.2’de küresel motorun ANSYS Maxwell yazılımında oluĢturulan stator nüveleri gösterilmiĢtir.

(41)

27

ġekil 4.3’te ANSYS Maxwell yazılımında oluĢturulan stator nüvelerinin tüm yönlerden görünüĢü ve ölçüleri gösterilmektedir.

ġekil 4.3: Statorun farklı açılardan görünüĢü

Stator nüveleri oluĢturulduktan sonra stator ayaklarına sargılar için bırakılan mesafeye ve açıklığa uygun boyutlarda olacak Ģekilde 12 adet sargı oluĢturulmuĢtur.

(42)

28

OluĢturulan sargılar motorun hareket yönlerini prototipte belirlemek için, Y eksenin karĢısındaki alt ve üst kısımdaki sargılar 1 numaralı sargılar olarak isimlendirilmiĢtir. Diğer sargılar ise 1 numaralı sargılardan itibaren saat yönünde numaralandırılmıĢtır. ġekil 4.4’te ANSYS Maxwell yazılımında oluĢturulan sargıların görünüĢü ve ölçüsü gösterilmektedir.

Sargılar, 225 sipir olmak üzere 0,5 mm çapındaki bakır iletkenlerden oluĢmaktadır. Sargılar oluĢturulup stator nüvelerindeki ayaklara yerleĢtirildikten sonra statorun modellenmesi tamamlanmıĢtır. Son olarak hem stator nüvelerinin hem de sargıların malzemeleri seçilmiĢtir. Stator nüvelerine yumuĢak demir malzeme, sargılara ise bakır malzeme tanımlanmıĢtır. ġekil 4.5’te ANSYS Maxwell yazılımında oluĢturulan statorun genel yapısı gösterilmektedir.

ġekil 4.5: Tasarlanan stator yapısı

4.2.2 Küresel Motorun Rotor Yapısı

Küresel motor tasarımında rotor teflon malzemeden yapılmıĢtır. Teflon malzemenin manyetik geçirgenliği hava ile aynı değerde olması özelliği ile stator kutuplarıyla rotor kutupları arasında herhangi bir manyetik sapma ya da bozulmaya sebep olmaması sağlanmıĢtır. Böylece küresel motorun stator kutuplarındaki sargılar enerjilendirildiğinde rotorun hareketini etkileyecek herhangi bir durum oluĢmaması sağlanmıĢtır.

(43)

29

Küresel motorun rotoru dört kutuplu bir yapıya sahiptir. Küresel olarak tasarlanan rotorda 4 adet sabit mıknatıs mevcuttur. Küresel rotorun merkezi referans olarak alınıp sabit mıknatıslar birbirleriyle 90˚ açı yapacak Ģekilde yerleĢtirilmiĢtir. Küresel rotorda sabit mıknatıslar karĢılıklı olarak 2 adet N kutbu ve 2 adet S kutbu olarak konumlandırılmıĢtır. Böylece sargılardan geçirilecek akımların oluĢturacağı manyetik alan kuvvetine göre rotor hareketi sağlanmıĢ olacaktır.

Ayrıca küresel motorun hareket eksenine bağlı olarak yön tayini için 6 mm uzunluktaki kısmı küresel rotorun içinde kalacak Ģekilde 25 mm uzunluğunda bir motor mili çizilmiĢtir. ġekil 4.6’da ANSYS Maxwell yazılımında oluĢturulan sabit mıknatısların, rotorun ve milin boyutlarıyla birlikte üç boyutlu görünüĢü gösterilmektedir.

ġekil 4.6: Küresel motorun rotor yapısı ve sabit mıknatıslar

ġekil 4.7’de küresel motorun rotor yapısını oluĢturan tüm elemanlar birleĢtirilip modellendikten sonra ANSYS Maxwell yazılımında tasarlanan rotorun genel yapısı gösterilmektedir.

(44)

30

Küresel motorun gerçeklenen rotoru teflon malzemeden, rotordaki mil yumuĢak demir malzemeden yapılmıĢtır. Teflon malzemenin içine NdFeB malzemeden sabit mıknatıslar yerleĢtirilmiĢtir. Böylece rotor manyetik alanı sağlanmıĢtır.

Küresel motordaki sabit mıknatıslar 2 adet N kutbu ve 2 adet S kutbu olmak üzere rotora yerleĢtirilmiĢlerdir. Sabit mıknatısların manyetik alan yönleri küresel rotorun merkezinden yarıçapına doğru yönlendirilmiĢtir. ġekil 4.8’de küresel rotordaki sabit mıknatısların ve rotorun manyetik alan yönleri gösterilmektedir.

ġekil 4.8: Sabit mıknatısların yönleri

4.2.3 Küresel Motorun DıĢ Yapısı

Küresel motorun rotoru ile statorunun birbirine bağlı ve sabit biçimde kalmasını sağlamak amacıyla teflon malzemeden dıĢ yapı oluĢturulmuĢtur. ġekil 4.9’da küresel motorun dıĢ yapısı görülmektedir.

(45)

31

ġekil 4.9: Küresel motorun dıĢ yapısı

4.2.4 Küresel Motorun Genel Yapısı

Tüm modellemeler ve çizimler ANSYS Maxwell yazılımında gerçekleĢtirildikten sonra, küresel motorun genel yapısının modeli oluĢturulmuĢtur. ġekil 4.10’da küresel motorun tüm elemanları çizilip modellendikten sonra genel yapısı görülmektedir.

(46)

32

5. KÜRESEL MOTORUN ANALĠZLERĠ

Tasarımı tamamlanan küresel motorun üç boyutlu elektromanyetik analizleri motorun hareketlenme yeteneği ile ilgili bilgiler sunmaktadır. Tork ve manyetik akı yoğunluğu gibi değerler küresel motor için önemli verilerdir. Bu değerleri elde ederken sonlu elemanlar yöntemiyle elektromanyetik analizlerin gerçekleĢtirilebildiği ANSYS Maxwell yazılımı kullanılmıĢtır (ANSYS Maxwell 2015). Küresel motorun ANSYS Maxwell ile elektromanyetik analizleri yapıldıktan sonra ANSYS Workbench yazılımında elektromanyetik ve yapısal analizler birbirlerine bağlanıp çoklu fizik çalıĢmalar yapılarak dayanım ve stres gibi yapısal özellikler analiz edilmiĢtir (ANSYS Workbench 2015). Çoklu fizik çalıĢmada dayanım ve stres değerlenin elde edilemesi ANSYS Mechanical yazılımınıda gerçekleĢtirilmiĢtir ( ANSYS Mechanical 2015).

5.1 Sonlu Elemanlar Yöntemi

Sonlu elemanlar yöntemi, mühendislik uygulamalarında ve matematiksel olarak tanımlanabilen fizik uygulamalarında karĢılaĢılan problemleri basite indirgeyerekçözmek için kullanılan sayısal yöntemdir. Sonlu elemanlar yöntemiyle çözüm aranan problemlerde çözüm bölgesi daha alt bölgelere ayrıĢtırılır ve bu alt bölgeler polinom olarak tanımlanan çözüm sabitlerinin belirlenmesiyle birbirlerine yakınlaĢtırılarak uygun kriterlere göre sayısal çözüm elde edilir.

Sonlu elemanlar yöntemi ile daha karmaĢık modellerde ve sistemlerde daha hassas çözüm seçenekleri ile hesaplamalar gerçekleĢtirilebildiği gibi modelleri ve sistemleri oluĢturan malzemelerin özelliklerinin anizotropik, lineer olmayan, zamana bağlı gibi daha değiĢik olduğu durumlar için de çözümler yapılabilir. Sisteme uygulanacak uyarmaların ve sınır Ģartlarının doğru olarak belirlenmesi sonlu elemanlar yönteminin çözüm hassasiyetini arttırarak sonuçlarında daha hassas olması beklenir.

Sonlu elemanlar yöntemi ile elektromanyetik, yapısal, akustik, akıĢkan, katı ve sıvı mekaniği, sıcaklık dağılımı gibi birçok uygulama alanlarında çözümler elde edilebilir.

(47)

33 5.2 Tork Ve Kuvvet Hesaplaması

Küresel motorun tork değerinin bilinmesi veya hesaplanarak bulunması, küresel motorun parametrelerinin gerektiğinde düzenlenmesi ve kontrolünün yapılabilmesi için gereklidir. Sonlu elemanlar yöntemiyle elektromanyetik analizlerin gerçekleĢtirilebildiği ANSYS Maxwell yazılımında küresel motorun üretmiĢ olduğu tork parametresi Lorentz torku ve zahiri iĢ torku olmak üzere iki farklı yöntemle elde elde edilebilmektedir.

5.2.1 Lorentz Kuvveti Ve Torku

Lorentzkuvvetleri, akım taĢıyan bir tel manyetik bir alan içine yerleĢtirildiğinde; hareket eden, akım taĢıyan her bir yük Lorentz kuvvetinden etkilenir ve tel üzerinde görünür büyüklükte bir kuvvet oluĢturur. Bu kuvvet (5.1) eĢitliği yardımıyla hesaplanabilir.

EĢitlik (5.1)’in hacimsel integrali alınırsa Lorentz kuvveti (5.2) eĢitliğine dönüĢür.

Stator kutbundaki sargıdan akım akıtıldığında oluĢan manyetik alanının rotor ile stator sargılarının iliĢkisinden dolayı dönme eksenindeki yer değiĢtirme vektörüne bağlı oluĢan tork (5.3) eĢitliği gibi ifade edilir.

Burada r dönme eksenine dik moment kolunu temsil eder ve o noktadaki kuvvet hesaplanır. DeğiĢmez manyetik akı yoğunluğu için tork eĢitlik (5.4) ve 𝑚 parametresi eĢitlik (5.5) ile ifade edilebilir.

𝑓𝑇𝑒𝑙 = 𝐽 × 𝐵 (5.1) 𝐹𝐿 = 𝑓 𝑑𝑣 𝑣 (5.2) 𝑇 = − 𝑟 × 𝐽 × 𝐵 𝑣 𝑑𝑣 (5.3)

(48)

34 5.2.2 Zahiri ĠĢ Kuvveti Ve Torku

Zahiri iĢ kuvvetleri prensibine bakıldığında bobin sarılı bir nüve ile plaka arasında hava aralığı mevcut iken bobinden akım akıtıldığında plakadan nüveye doğru bir kuvvetin etki ettiği görülür. Elektromekanik sistemde kuvvet ve tork oluĢan manyetik enerjiden oluĢmaktadır. Manyetik enerji yoğunluğu eĢitlik (5.6) ile hesaplanır.

Manyetik enerji yoğunluğu, akım 𝑖 sabit olmak koĢuluyla ve mesafe 𝑠 ile 𝜃 dönme açısı göz önüne alınıp kullanılarak tork ile kuvvet denklemleri eĢitlik (5.7) ve eĢitlik (5.8) ile elde edilir.

Zahiri iĢ torku, elektromekanik sistemlerde en çok kullanılan tork hesaplama yöntemidir. 𝑇 = 𝑚 × 𝐵 (5.4) 𝑚 = 𝑖1𝑠 (5.5) 𝑊𝑚 = 𝐻 ∙ 𝑑𝑣 (5.6) 𝑇 =𝑑𝑊 𝜃, 𝑖 𝑑𝜃 (5.7) 𝐹 =𝑑𝑊 𝑠, 𝑖 𝑑𝑠 (5.8)

(49)

35

5.3 ANSYS Maxwell Ġle Küresel Motorun ElektromanyetikAnalizleri

Küresel motorun torkunu hesaplayabilmek için oluĢan manyetik akı dağılımlarını belirlemek önemlidir. Küresel motordaki manyetik alan dağılımı üç boyutlu ANSYS Maxwell yazılımında statik analiz ile belirlenmiĢtir.

5.3.1 Model OluĢturma

Küresel motorun statik olarak elektromanyetik analizlerini gerçekleĢtirmek, model oluĢumu aĢaması için önemli yer tutmaktadır. Bunun için küresel motorun üç boyutlu elektromanyetik analizleri yapılmıĢtır. Ġki boyutta analizlerinin gerçekleĢtirilememesinin sebebi ise modelin simetrik olmayıĢından ve gerçekte üç boyutlu olarak modellenecek olmasındandır.

Elektromanyetik analizler üç boyutlu ANSYS Maxwell yazılımı ile gerçekleĢtirilmiĢtir. ANSYS Maxwell yazılımı sonlu elemanlar yöntemiyle çözümler gerçekleĢtirdiği ve model üzerindeki geometrik yapılarda çözüm ağları oluĢturarak hesaplamalar yaptığı için modelin sınır Ģartlarının, uyarmalarının ve malzeme özelliklerinin eksiksiz belirlenmesi önem taĢımaktadır. ġekil 5.1’de küresel motorun modeli gösterilmektedir.