Lineer Motor Nedir? Çalışması Avantajları Nelerdir?

Lineer motor nedir: Mekanik hareketi dairesel bir hareket değildir. Yatay eksen (x yada y eksenleri) üzerinde hareket eden motorlara denir. Yani lineer motorlar, x ve y yönlerinde yada x ve y düzleminde herhangi bir vektör yönünde hareket ederler. Lineer servo motor bir gövde üzerinde iki ortogonal elektromanyetik alanı içerir. Bu alanı bitirmek için demir nüve kare biçiminde yapılmalıdır. Bu durumda iki eksenli lineer step motor meydana getirilir.

Linner step motorlara 1969 yılında Kaliforniya’ da yapılan sawyer adım motoru örnek olarak gösterilebilir.

Lineer motor iki ana mekanik bileşenden meydana gelir. Gücü meydana getiren birinci bileşen hareketli armatürdür. Armatürün statöre sabitlendiği (demir nüve) bölüm, ikinci bileşendir. (Şekildeki gibi)

Lineer step motor, şekilde görüldüğü gibi  dört kutuplu iki elektromıknatıs (EM) ve sabit mıknatıs (PM) oluşur.

Armatür ve endüktör (statör) arasında sabit bir mil yatağı (hava aralığı) vardır. Hava aralığı  kapalı geometrik biçimde dönmeyi sağlar. Yükü harekete geçirmek demir nüve uzunluğuna bağlı olan güçle değişmektedir. Bu değişim, bir yükü getiren motorun rotor hareketine benzemez. Ayrıca güç iletimi için mekanik üstünlükleri de yoktur.

Lineer Motorların Çalışması 

Lineer motor nasıl çalışır? Demir nüvenin üst ve manyetik alanın alt noktaları arasında hava aralığı oluşur. Kutup yüzeylerine sawyer motordaki gibi oluklar açılır. Örnekte görüldüğü gibi oluklar, demir nüvenin biçiminde yapılır. Oluklar arasında olan boşluklar manyetik olmayan maddelerle doldurulmuştur. Düz yüzeyler manyetik demir nüvenin üst ve alt noktasında hava aralığı meydana getirir. Manyetik alan içindeki  küçük delikler hava basıncı sağlar, bu sayede iş gerçekleşir. Bu hava aralığında göz ardı edilemeyecek bir hareketli sürtünme yüzeyi meydana getirir.

Sabit mıknatıs, demir nüve ve manyetik alanının olmadığı bölümü birlikte etkisi altına alır. (Bu kısma hava aralığı dahil değildir.) Buna bağlı olarak demir nüvenin üstündeki manyetik alan alta yada üste doğru hareket ettirebilir. Akım olmadığında PM akışı hava aralığındaki şekli demir nüve ve EM akışı EM’ nin iki kutbunda da eşittir. Manyetik kutuplar, yaklaşık olarak aynı relüktansa sahip oldukları için PM akışı EM’ nin iki kutbunda da eşittir. (Yukarıdaki şekilde 3. ve 4. kutuplar gösterilmiştir).

Eğer akım, elektromıknatıslar tarafından anahtarlanırsa bu halde değişim olur. Genellikle sabit mıknatıs tarafından meydana gelen akım, manyetik alan sargılarında üretilen akıma yaklaşık olarak eşit olur. Bu şu demektir; yani akım değiştiği zaman manyetik akı, maksimumdan sıfıra kadar değişir.

Demir nüvenin dişleri ile elektromanyetik alan arasındaki değişim, demir nüveye paraleldir. Ama dişlere dik biçimdedir. EM dişleri  bir kutuptan diğer kutba doğru sıralanır. Bu durumda PM akışı kutup dişlerinin birleşim yerinde sabit mıknatıs tarafında değiştirilir. Böylece tegetsel kuvvet, demir nüve ve elektromanyetik alan boyunca hareket eder. Ayrıca elektromanyetik alan ile demir nüveyi birbirine doğru çeken ve hava aralığı için bir ön yük oluşturan kuvvet vardır.

Yukarıdaki şekilde (a-d) yazıda anlattığımız işlemler görülmektedir. İki şeklimizde de akım ve manyetik akının yönleri oklar ile gösterilmektedir. Eğer elektromıknatısta  manyetik alan oluşursa maksimum akı yoğunluğu ikinci kutupta da aynı hızda meydana gelir. Yukarıdaki şekilde (a) da gösterilmektedir.

EMA Enerjisi Kesik, EMB Enerjili

Maksimum akı yoğunluğu 3. kutupta en yüksek, 4. kutupta ise en düşük meydana gelir. 3. kutuptaki bu kuvvet demir nüvenin sağında olan kutupla aynı sıraya gelir iken dişin sağa doğru hareketi dörtte bir gerçekleşir. Yukarıdaki şekilde (b) de motor ve elektromanyetik alan ilişkisi gösterilmektedir.

EMB Enerjisi Kesik, EMA Enerjili

Bu durumda hareket sağa doğru olur. Yukarıda (a) da gösterilmiştir. 1. Kutbun akı yoğunluğu en yüksek değerde, 2. Kutbun akı yoğunluğu en düşük değerdedir. (PM uygulaması 3. ve 4. kutuplarda oluşmuştur.) Şekil (c) de EM alanı gösterilmiştir.

Kısaca; EMA’ nın  enerjisi kesilip, EMB’ ye enerji verilirse 4. Kutup yüksek akım, 3. Kutupta ise  düşük akı yoğunluğu meydana gelir. (bu durumda 1. ve 2. kutuplara PM uygulanmıştır). Bir devri oluşturmak için şekil a’da gösterildiği gibi EMA’ ya enerji verilir. Bu durumda sistem hareketi demir nüvenin bir dişi kadar olur. Bir periyot boyunca akımın frekansı, EM alanın hareket hızıyla belirlenir.

Öncede anlatıldığı gibi lineer adım motorlar direkt sürücülü motorlardır. Direkt sürücülü, kontrol rezolüsyonu ve yükü sürmek için uygulanan kuvvet motorun yeteneğidir.

Yani herhangi bir uygulama için gerekli dişli rezolüsyonu mikro adım motor kontrolü için;

istenilen rezolüsyonda kullanılması daha iyidir.

Ayrıca motor sürücü devresi için çizilen hız-kuvvet eğrisi;

motorun işlem hızı üzerindeki gerekli kuvvetleri üretebilecek durumda olmalıdır.

Lineer adım motorlarda yukarıda anlatılan aynı özellikler görülür. Senkronize kayıpları step motorun rotorunda olduğu gibidir. Fakat bu tür motorların kontrolü iki karakteristik açısından daha zordur. Bunlardan birincisi devrenin kendisinde olan spring’ dir. Motor armatürü iki dişli aralığı, genişliğe kadar kısma oturur. Bundan dolayı, bu harici kuvvetlerin giderilmesi gerekir. Eğer armatür hareketini engelleyen bu kuvvetlerin etkisi giderilmezse motorun senkronize kayıpları çok olacaktır.

Mikro step motorların kontrolünü zor duruma getiren ikinci karakteristik ise;

Hava aralığı yüzeyinde armatür rezonansı oluşturan karakteristiktir. Yani spring kütlesinin sönümünü sağlayan armatür ve engelleyici kuvvet tarafından meydana getirilen bir faktör vardır. Bu koşul motorun uyarılması için gereken akım frekansı rezonans frekansına yakındır. Yani motorun hareketi boyunca istenmeyen karışıklıklar olabilir. Bundan dolayı motorun rezonans frekansına gelmesi uzun sürebilir.

Lineer Step Motor Avantajları

• Direk sürücü motorlarıdır.
• Lineer motorun yüksek güvenliği vardır. Gerekli işlemleri yerine getirmek için az ve basit devre elemanlarından oluşur.
• Lineer motor hava aralığı hemen hemen manyetik alandan bağımsız olduğu için, lineer step motor bakım gerektirmez.
• Lineer motor uzun mesafeler arasında yüksek hızlı hareket ederken, yüksek hassasiyete sahiptir

Aktüatör Lineer

Lineer aktüatör düşük voltaja sahip DC motorun dönme hareketini lineer harekete çeviren aletlerdir. (itme ve çekme hareketlerini sağlamak için). Lineer motorlar, doğrudan elektromanyetik prensibini kullanır. Elektrikli linear aktüatörler bir motor, bir dişli yatak ve dönmeyi sağlayan bir somuna sahiptirler.

Motor sadece iki bölümden oluşur: Sürgü ve stator. Sürgü, yüksek hassasiyetli paslanmaz çelik boru içine yerleştirilmiş neodmiyum mıknatıslardan oluşur. Statör içinde motor sargıları, sürgünün kayabilmesi için bir yataklama vardır. Ayrıca konum algılama ve motor sıcaklığının izlenebilmesi için sıcaklık sensörleri bulunur. Komple bir aktüatör çözümü, aktüatörün kullanımı için bir ya da daha fazla aktüatör, bir kontrol kutusu ve kontrol aleti içerir. Birden fazla aktüatörün tek bir kutu ve kontrol cihazı ile kumandası anlamına gelir.

Lineer Motor Kullanımı

Lineer motorlar genel olarak yatay düzlemde kullanılır. Bunun amacı ağırlık kuvvetinin harekete etkisini azaltmaktır. Dikey düzlemde kullanılmamasının nedeni de aniden gücün kesilmesi durumunda forcerın (güç) yere çarpma tehlikesi de vardır. Oysa gücün aniden kesilmesi yatay düzlemde çalışan lineer motorlar için tehlike yaratır.

Lineer motorlar 1–10 G arasında değişen ivmelere ve 5 m/s hıza ulaşabilirler. Yine gücün aniden kesilmesi lineer motorun çarpma ile zarar görmesine neden olabilir. Bunun için motorların iki ucuna bu olasılık da düşünülerek kauçuk yastıklar konur. Ayrıca dikey düzlemde çalışılacağı zaman forcer bir karşı ağırlıkla desteklenir.

Lineer motorların yataklanması dikkat gerektiren bir çalışmadır. Lineer yataklarla lineer motor paralel olarak yerleştirilmelidir. Her iki uçta da paralellikten katalogda belirtilen limitlerden daha fazla kaçıklık olmamalıdır. Ama bu limitler oldukça dardır. Ayrıca yataklama yapılırken aradaki hava boşluğu da belirtilen aralıkta olacak şekilde ayarlanmalıdır. Hafif yükler için yataklama yapılmaya gerek olmayabilir. Yük arttıkça lineer motorun emniyetle kullanılabilmesi sağlanmalıdır. Bu durumda forcer ile statör arasındaki boşluğu istenen değerde sabit tutmak için kullanılabilir.

Lineer motorların hareket mekanizmalarına göre bir büyük avantajı da limitlerinin olmamasıdır. Raylar uç uca eklenerek istenilen uzunlukta bir strok (inme) elde edilebilir. Linear motorlarda bir statör ray üzerinde birden fazla forcer kullanılabilir. Bunlar ayrı sürücülerle sürülebilmektedir.

Lineer motorlarda ray olarak kullanılan kısım; doğal mıknatısların bulunduğu statördür. Forcer ise hareketli kısım olup genel olarak statöre göre daha kısadır. Uzun stroklu uygulamalarda statörün sabit olması büyük bir avantaj sağlar. Çünkü hareketli kısım olan forcerın ağırlığı daha düşüktür. Ancak forcerın kablo bağlantılarının harekete uygun olarak bir kablo koruyucusu ile korunmalıdır.

Kısa stroklu uygulamalarda ise tam tersi yapılmaktadır. Hareketli parça statördür. Sarımların olduğu forcer ise yerde sabittir. Bu şekilde kullanıldığı zaman hareket eden kablolar da bir sorun oluşmamaktadır.

Çeşitli Lineer Encoderler

Lineer motorlar yapılabilen geri beslemenin çözünürlüğünde çalışırlar. Çeşitli geri besleme yöntemleri vardır. Her lineer motorda bir Hall Effect Sensor vardır. Aynı zamanda hareket doğrultusundaki konumunu belirlemek için çeşitli yöntemler kullanılır.

Kısa stroklu mikron altı ya da nano altı lineer motorlarda kapasitanslı geri besleme kullanılır. Ancak bunlar yalnız çok kısa stroklar için kullanılabilir. Diğerlerinde LVDT, laser inferometre, analog ve dijital encoder vb. kullanılır. Optik ölçüm yöntemleri de çok tercih edilmese de kullanılmaktadır. Kirli ve ıslak yüzeyler için manyetik encoder kullanılır.

Lineer Motor Fiyatları

Lineer step motorların lineer sürücü kartı fiyatı pahalıdır. Sık olarak kullanılan servo motor ve geri besleme (feed back) kartı fiyatı daha ucuzdur. Lineer motor fiyatları yüksek olduğu için gerekli elektronik sürücüler osilasyonu ve senkronize kayıtları azaltır. Kuvvet azalmasını ve hız artışını sağlar.