Lineer Motor Çeşitleri Nelerdir?

Lineer motor çeşitleri: Bir lineer motor, bir döner servo motoru alıp açarak elde edilir. Bu motorlarda rotor “forcer” ve statör de, mıknatıslardan oluşan ray bulunur. Bu tasarımda yük direk olarak motora bağlıdır.

Lineer hareket herhangi bir doğrusal hareketi lineer harekete çeviren mekanizma kullanılmadan sağlanmaktadır. Lineer motor teknolojisi step motor ve fırçalı lineer motorlar olarak kullanılmaktadır. Fırçasız teknoloji ise giderek yaygın hal almaktadır.

Lineer Motorların Sınıflandırılması

Komütasyonun sağlanmasına göre fırçalı ,fırçasız,
Şekline göre U kanal, yassı veya tüp şeklinde,
Çekirdeğin tipine göre demir çekirdekli, hava çekirdekli ve slotsuz

Fırçalı Lineer Motorlar

Fırçalı lineer motorlarda sargılar ray üzerindedir ve mıknatıslar forcer üzerindedir. Komütasyon forcerdaki fırçalar ile motor uzunluğu boyunca uzanır. Raydaki sargılara bağlı komütasyon çubuğu tarafından sağlanır. Forcer ray üzerinde hareket ettikçe forcerdaki fırçalar komütasyon çubukları üzerinden geçer.

Lineer motor çeşitleri — Fırçalı lineer motor

Raydaki sargıların akım yönlerini değiştirerek kutuplanmayı değiştirir. Bu yöntem pahalı hemde sınırlayıcı bir yöntemdir. Raydaki sargıların döşenmesi maliyet gerektirir ve malzeme harcamasını arttırır. Yüksek hızlarda çalışma komütasyon çubuğu ve fırçalar sebebiyle sınırlıdır.

Fırçasız Lineer Motorlar

Bu motorlarda genellikle 3 fazlı fırçasız tasarım kullanılır. Fırçasız tasarımda temas eden parçalar yoktur. Bundan dolayı daha güvenilirdir. Fakat motordaki akımı kontrol eden elektronik daha karmaşıktır. Fırçasız motorlarda sabit bir referans yoktur. Bunun için ilk yapılması gereken hangi faza enerji verilmesi gerektiğinin tesbitidir. Bunu yapmanın birçok yolu vardır ama en çok kullanılanları hall effect cihazlarıdır. Her faz için bunlardan üç tane kullanılır.

Tümü manyetik ray tarafından oluşturulan manyetik alanları gösteren bir sinyal üretirler. Bu alanları analiz ederek forcerın mıknatıslı rayın hangi kısmında olduğu belirlenebilir. Buna bağlı olarak doğru faza akım gönderilir.

Fırçasız Motorlarda Hall Sırası ve Faz Akımları

Komütasyon Dalga Biçimleri

Komütasyon tipi üç çeşittir.

Trapezodial,
Modified six step
Sinüsoidal

Trapezoidal komütasyon en basit komütasyon şeklidir. Dijital hall cihazları sıfır noktasından itibaren 30° elektriki olarak hizalanmıştır. Hall sinyalinin geçiş gösterdiği her noktada faz akımı sırası değişmektedir. Böylece motorun komütasyonu oluşur. Bu komütasyonun en ucuz yoludur.

Modified six step komütasyonuda trapezoidale benzerdir. Ama bu yöntemde iki akım sensörü kullanılır. Komütasyon sırası ideal sinüsodial faz akımına daha yakındır. Bu yöntem 2 akım durumunun algılanmasını gerektirdiğinden trapezoidale göre daha pahalıdır.

Her iki yöntemde de disturbance sinyallere neden olur. Bundan dolayı yüksek sıcaklıkta çalışma ve düzgün olmayan hareket sonucunu doğurur. Herhangi sinüsoidal olarak sarılmış bir fırçasız motorda en ideal sürüş sinüsoidal komütasyonla sağlanır. Bunun için iki farklı yaklaşım vardır. Analog hall effect cihazları motor mıknatıslı rayın manyetik kutuplarından geçtiğinde sinüsoidal sinyal oluşturur.

Komütasyon için doğru olan bu sinyaller daha sonra birleştirilir. Motoru doğru şekilde komüte etmek için istenen sinyale dönüştürülür. Bu yöntemin maliyeti diğer ikisinden düşüktür. Ama gürültü hall cihazlarını ve komütasyonu etkileyebilir. Diğer bir yaygın metotda enkoder kullanmaktır.

Hall sinyali değiştiğinde artımsal encoder dijital olarak sinyal gönderir. Böylece motorun hangi komütasyon turunda olduğunu belirlemekte kullanılabilir.

Komütasyon birbirinden 120° elektriki olarak farklı faz açılarına sahiptir. Bu iki sinyalin akım sinyali ile çarpılmasıyla sağlanır. Bu komütasyon yöntemi en iyi sonucu verir. Akımı, hızı ve konumu kontrol etmek için aynı işlemci kullanılır. Dolayısıyla daha hızlı sürekli rejim zamanına ulaşma ve daha sıkışık servo döngüleri elde edilir.

Sinüsoidal komütasyonun Lineer motorlarda kullanılması hareketin daha düzgün olmasını sağlar. Ayrıca motorun daha az ısınarak daha verimli çalışmasına yardımcı olur. Kullanılan teknik hall effect cihazı başlangıçta kullanılmalıdır. Daha sonra sinüsoidal olarak komütasyona devam etmektir. Her durumda komütasyon hızı sınırlayıcı bir faktör değildir.

3 Fazlı Komütasyonda Sargılara Giden Kablo Bağlantısı

Lineer Motor Şekline Göre

Bir lineer motor şekline göre

Tüp şeklinde lineer motor
U-kanal şeklinde lineer motor
Yassı şeklinde lineer motor

Motor seçimi yaparken uygulanacak yerin uygunluğu ve çalışma ortamına bağlıdır.

Tüp Şeklinde Lineer Motor

Bu motorlarda forcer silindirik biçimdedir. Yine mıknatısları tutan silindirik bir çubuk içinde hareket ederler. Bu motorlar ilk olarak ticari uygulama alanları bulan lineer motorlardandır. Manyetik düzeneği manyetik actuatorlerinkine benzerdir. Tek farkları bu motorda stroku arttırmak için bobin sargıları tekrarlanmış olmasıdır.

Bobin sargıları tipik olarak üç fazlı, hall effect cihazları kullanan fırçasız komütasyonludur. Forcer silindiriktir ve manyetik çubuğu ileri geri hareket ettirir. Bu çubuk manyetik alan değişimine hassas uygulamalara elverişli değildir. Parmaklar manyetik çubukla bu çubuğun etkileşim içinde olduğu yüzey arasına sıkışmamalıdır.

Tüp şeklindeki tasarımda en büyük sorun alınan mesafenin artmasında yaşanır. Motor tamamen silindiriktir. Bunun için çubuk boyunca hareket ettiğinden bu tasarımı sadece uçlardan yataklayabilir. Buna göre mesafe artışı çubuğun sehim yaparak mıknatısların forcera temas için belli bir limit içinde tutulmalıdır

U Kanal Şeklinde Lineer Motor

Bu lineer motorlar birbirine bakan iki paralel mıknatıs ray ve aralarında hareket eden forcerdan oluşur. Forcer mıknatıs ray içinde rulmanlarla yataklanmıştır. Forcer demirsizdir. Yani forcer ile mıknatıslı ray arasında çekim kuvvetleri ve bozucu kuvvetler yoktur.

Demirsiz bobinlerin kütlesi düşüktür ve yüksek ivmelenmelere izin verirler. Tipik olarak bobin sargıları üç fazlı fırçasız komütasyonludur. Motora hava soğutması ilave edilerek daha fazla performans sağlanabilir.

Bu lineer motor tasarımı mıknatısların birbirine bakması ve U şeklindeki kasası ile daha az manyetik alan sızıntısına neden olur. Bu ayrıca cisimlerin güçlü mıknatıslar tarafından yakalanma riski azaltılır. Mıknatıslı rayın tasarımı neden ile alınan mesafe birbirlerine ilave edilerek arttırılabilir. Sınırlayıcı özellikler kabloların boyu ve var olan encoder boyudur.

Yassı Lineer Motor

Bu motorlarda kendi içinde sınıflandırılır

Slotsuz demirsiz yassı motor,
Slotsuz demirli yassı motor,
Slotlu demirli yassı motor.

Slotsuz Demirsiz Yassı Motor

Slotsuz demirsiz yassı motor alüminyum kaideye montelenmiş bobin serilerinden meydana gelir. Forcerda demir bulunmaması nedeniyle motorda çekim kuvvetleri veya adımlama (cogging) yoktur. Bu özellik yatak ömrünü bazı uygulamalarda uzatır. Forcerlar uygulama tipine göre üste veya kenarlara yerleştirilebilir. Tarama uygulamaları gibi uygulamalarda düzgün hız kontrolü sağlanır.

Bu tip tasarım yassı ray tasarımları arasında en az kuvvetlisidir. Genellikle yassı mıknatıslı rayların yüksek manyetik alan sızıntıları vardır. Diğer metallerle etkileşimlerinden kaçınılmalıdır.

Slotsuz Demirli Yassı Motor

Slotsuz demirli yassı motorlar slotsuz demirsiz yassı motorlarla aynı konstrüksiyona sahiptir. Tek farkları bobinler önce demir tabakalara sonra alüminyum kaideye montelenmiştir. Manyetik alanı yönlendirmek ve kuvveti arttırmak için demir tabakalar kullanılırlar.

Forcerdaki demir tabakalar sebebiyle forcer ile ray arasında bir çekim kuvveti oluşur. Motorun meydana getirdiği kuvvetle orantılıdır. Bu tabakalardan dolayı motorda bir adımlama kuvveti meydana gelir. Forcerı manyetik raya yerleştirirken dikkatli olmalıdır.

Slotlu Demirli Yassı Motor

Bu tip lineer motorlarda bobin sargıları demir blokların arasına yerleştirilmiştir. Demir çekirdek sargılar manyetik alan oluşturur. Oluşturulan bu manyetik alanı odaklayarak önemli derecede motor kuvvetini arttırır.

Demir çekirdek ile mıknatıslı ray arasında kuvvetli bir çekim kuvveti vardır. Bu avantajından dolayı havalı yataklama sistemi için önyükleme olarak kullanılır. Ama bu kuvvetler yataklardaki aşınmayı arttırır. Aynı zamanda adımlama kuvvetleri oluşacaktır. Ray üzerindeki mıknatısları eğri olarak yerleştirerek azaltılabilir.

Lineer Motor Çekirdek Tipine Göre

Demir Çekirdekli Lineer Motor

Bu motor tasarımını fırçasız döner motorlardan alır. Motorda yassı bir ray üzerine yerleştirilen sabit mıknatıslar vardır. Forcer levhaların dişleri veya slotları çevresine yerleştirilen bobinlerden oluşur. Sargıların içine sıcaklık ölçen termal sensörler yerleştirilmiştir.

Hall effect sensörleri de sargı alanına veya motorun kenarına yerleştirilmiştir. Bu sensörler raydaki mıknatıslar tarafından çalıştırılır ve sargıların komütasyonunda kullanılır. Levhaların kullanılması manyetik alanı yoğunlaştırılır ve bu tip motor hacim başına en büyük kuvveti meydana getirir.

Tek sıra mıknatıs kullanıldığından maliyeti hava çekirdekliye göre düşüktür. Mıknatıslı rayın sürüldüğü uygulamalarda hava çekirdekliye göre hafif olduğundan daha avantajlıdır. Sargılar demir slotlar etrafında olduğundan ısının dağıtılması mükemmeldir. Ek olarak slotlar içine soğutma tüpleri yerleştirilebilir.

Daha sonra bu tüpler içinden hava veya akışkan geçirilerek soğutma iyileştirilebilir. Forcer esas olarak demirden yapılır. Bundan dolayı forcer ile ray arasındaki boşluk 0.8 mm kadardır. Böyle olduğu için forcer ile ray arasında çok güçlü bir çekim kuvveti vardır. Bu kuvvet motorun sürekli rejimdeki itme kuvvetinin 10 katı kadar olabilir.

Örneğin; Eğer motorun 100N luk bir sürekli kuvveti varsa, normal düzlemde çekim kuvveti 1000N kadar olabilir. Lineer yataklar boyutlandırılırken bu kuvvet hesaba katılmalıdır. Forcer demirden yapıldığı için mıknatıslar üzerinden geçtiğinde her geçişte itme kuvvetinde değişimler oluşur.

Buna adımlama denir ve düşük hızlarda hızda dalgalanmalara sebep olduğu için düzgünlüğü etkiler. Bu motor tasarımı, adımlama etkisini azaltmak üzere mıknatıslar eğik yerleştirilir. Bunun nedeni adımlama etkisini azaltmak için başka bazı yöntemlerle optimize edilmiştir.

Hava Çekirdekli Lineer Motor

Bu konstrüksiyon hava çekirdekli veya demirsiz olarak isimlendirilmektedir. İki mıknatıslı ray birbirine zıt kutupları bakacak biçimde yerleştirilir. Forcer epoksi içine yerleştirilmiş bobin sargılardan meydana gelir. Bu sargıların üzeri alüminyum levha ile kapatılmıştır. Bu levha yükü bağlamak ve ısıyı dış ortama göndermek için kullanılır.

Sargılarda demir yoktur. Demir çekirdekte olduğu gibi termal sensörler ve hall effect sensörleri forcera yerleştirilmiştir. Forcerda demir olmadığı için forcer ile ray arasında bir çekim kuvveti yoktur. Bu yataklar üzerinde ayrıca yüklerin olmaması demektir. Bu kuvvetlerin olmamasından dolayı motorun yönetilmesi ve kurulumu kolaydır. Ayrıca çekim kuvvetleri olmaması sebebiyle adımlamada yoktur.

Bu sebeple aşırı hız kontrolü gerektiren uygulamalara uygundur. Bu tip motorlar sürtünmesiz ve çok düzgündür. Hava yataklamaları ile birlikte kullanılırlar. Çok düşük yüklerin var olduğu uygulamalarda forcerın ağırlığının düşük olması bir avantajdır. Bu tip motorlarda forcer hafiftir.

Böylece düşük ağırlıklarda yüksek ivlenmeler ve daha fazla işlem hacmi mümkündür. Sargılar epoksi içinde tutulduğu için bobinlerdeki ısının ortamı dışarı atılmalıdır. Bunun da tek yolu sargılardan alüminyuma aktarılması oradanda bir heatsinke aktarılmasıdır. Isı ayrıca hava boşluğundan ve mıknatıslı ray içinden geçer. Bu yolların her birinin yüksek ısıl direnci olduğu için motorun ısı kontrolü zordur.

Forcer bobinlerden ve epoksiden oluşur. Kuvvet, bobinlerde oluştuğundan kullanılan tüm kuvvet bobinleri epoksi üzerindedir. Bu yapı demir çekirdekliye göre daha zayıftır. Bu zayıflık ek yapısal elemanlar eklenmeden imal edilmiştir. Motorlarda maksimum boyutları ve kuvvetleri sınırlar. Isı kaynaklı ve yapısal sınırlamalar sebebiyle bu tip motorlarda hacim başına düşen kuvvet düşüktür. Çift raylı tasarım ayrıca fazladan yer kaplar.

Slotsuz Lineer Motor

Ray demir çekirdekli tasarımda kullanılanla aynı yapıya sahiptir. Forcer ise hava çekirdekli motorlardaki bobin tasarımından meydana gelir. Bu bobinlerin üzerine demir bir levha yerleştirilmiştir. Bu yapı altı açık alüminyum bir kasa içerisine yerleştirilmiştir. Kasanın içi epoksi ile doldurularak sargılar ve demir levha koruma altına alınır. Termal sensörlerde içindedir.

Slotsuz demir çekirdekli ve hava çekirdeklinin bir karışımı olduğu için avantaj ve dezavantaj bu iki tipin karşılaştırılmasıdır. Demir çekirdekli tasarımdaki gibi tek sıra mıknatıslardan oluşan ray kullanıldığından maliyeti hava çekirdekliye göre düşüktür. Tek bir mıknatıslı ray kullanıldığından ağırlığı hava çekirdeklinin yarısı kadardır. Buda çok eksenli sistemlerde daha az yük ve yüksek iş hacmi demektir.

Forcerın gövdesinin alüminyum kasadan yapılır ve sargıların bu kasaya bağlanır. Bu sebeple forcerın dayanımı hava çekirdekliye göre daha fazladır. Hava çekirdekli motorlar kadar değildir. Ama slotsuz tasarım demir çekirdekliye göre daha hafiftir. Bu düşük yük uygulamalarında yüksek iş hacmi anlamındadır.

Slotsuz tasarımda demir levha olması forcer ile ray arasında çekim kuvvetleri oluşturur. Ama bu demir çekirdeklide olduğu kadar fazla değildir. Bu çekim kuvveti sürekli rejimdeki kuvvetin 5 ila 7 katı kadardır. Mıknatıslar ile forcerdaki demir levha arasındaki boşluğun fazla olmasından slotsuz tasarımda adımlama daha azdır.

Bu slotsuz tasarımın iyi hız kontrolü gerektiren uygulamalarda da çalışabilmesini sağlar. Slotsuz tasarımda bobinler demir levha ile ve onunda alüminyum kasa ile temasından ısı transfer geçişleri iyidir. Hacim başına kuvvet bu tasarımda hava çekirdekli ile demir çekirdekli arasındadır. Slotsuz tasarımın ısı transfer yolu daha iyi olduğu için hava çekirdekliye göre daha yüksek akımlara izin verir. Bu sebeple daha yüksek kuvvetler doğurur.

Çekirdeklerin Birbirleri ile Karşılaştırılması

Lineer Aktüatör Motorlar

Robotik projelerde kullanılabilecek lineer aktüatör motorlar vardır. Lineer aktüatör motorlar;

Elektrik ile kontrol edilen hareketli sistemlerde ağır yüklerin, kaldırılması,
Disk sürücü ve yazıcı, otomatik açılır kapanır çekmece ve kapak sistemlerinde,
Endüstriyel ve robotik bir çok alanda kullanılabilmektedir.

Lineer motorlar dönme hareketi yerine doğrusal hareket edebilmektedir. Uçlarında limit switchler bulunan bazı lineer aktüatör motorlar vardır. Bu motorlar sınıra ulaştıklarında voltaj verildiğinde çalışmama özelliğine sahiptir.