LİNEER MOTORLARIN SINIFLANDIRILMASI


Lineer motorlar komütasyonun sağlanmasına göre fırçalı fırçasız, şekline göre U kanal, yassı veya tüp şeklinde, çekirdeğin tipine göre demir çekirdekli, hava çekirdekli ve slotsuz olarak sınıflandırılabilir.

1. Fırça Durumuna Göre Sınıflandırma

a) Fırçalı Lineer Motorlar



Fırçalı Lineer Motor



Fırçalı lineer motorlarda sargılar ray üzerindedir ve mıknatıslar forcer üzerindedir. Komütasyon forcerdaki fırçalar ile motor uzunluğu boyunca uzanan ve raydaki sargılara bağlı komütasyon çubuğu tarafından sağlanır. Forcer ray üzerinde hareket ettikçe forcerdaki fırçalar komütasyon çubukları üzerinden geçerek raydaki sargıların akım yönlerini değiştirirerek kutuplanmayı değiştirir. Bu yöntem hem pahalı hemde sınırlayıcı bir yöntemdir. Raydaki sargıların döşenmesi maliyet gerektirir ve malzeme harcamasını arttırır. Yüksek hızlarda çalışma komütasyon çubuğu ve fırçalar nedeniyle sınırlıdır.

b) Fırçasız Lineer Motorlar



Fırçasız Lineer Motor



Bu motorlarda genel olarak 3 fazlı fırçasız tasarım kullanılır. Fırçasız tasarımda temas eden parçalar yoktur ve bu nedenle daha güvenilirdir. Buna karşılık motordaki akımı kontrol eden elektronik biraz daha karmaşıktır. Fırçasız motorlarda sabit bir referans olmadığından ilk yapılması gereken hangi faza enerji verilmesi gerektiğinin tayinidir. Bunu yapmanın birçok yolu vardır ama en çok kullanılanları hall effect cihazlarıdır. Her faz için bunlardan üç tane kullanılır ve hepsi manyetik ray tarafından oluşturulan manyetik alanları gösteren bir sinyal üretirler. Bu alanları analiz ederek forcerın mıknatıslı rayın hangi kısmında olduğu tayin edilebilir ve buna bağlı olarak doğru faza akım gönderilir.



Fırçasız Motorlarda Hall Sırası ve Faz Akımları





Komütasyon Dalga Biçimleri



Trapezodial, modified six step ve sinüsoidal 3 çeşit komütasyon tipi mevcuttur. Trapezoidal komütasyon en basit komütasyon biçimidir ve dijital hall cihazları sıfır noktasından itibaren 30 derece elektriki olarak hizalanmıştır. Hall sinyalinin geçiş gösterdiği her noktada faz akımı sırası değişmektedir ve böylece motorun komütasyonu meydana gelir. Bu komütasyonun en ucuz yoludur. Modified six step komütasyonuda trapezoidale çok benzerdir. Fakat bu metodda iki akım sensörü kullanılır ve komütasyon sırası ideal sinüsodial faz akımına daha yakındır. Bu metod 2 akım durumunun algılanmasını gerektirdiğinden trapezoidale göre daha pahalıdır. Her iki metod da disturbance sinyallere sebep olacağından 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 birleştirilerek motoru doğru şekilde komüte etmek için istenen sinyale dönüştürülür. Bu metodun maliyeti diğer ikisinden düşüktür fakat gürültü hall cihazlarını ve komütasyonu etkileyebilir. Diğer bir yaygın yöntemde enkoder kullanmaktır. Hall sinyalinde bir değişim bulunduğunda artımsal enkoder sinyali dijital olarak motorun hangi komütasyon turunda olduğunu saptamakta kullanılabilir. Komütasyon birbirinden 120 derece elektriki olarak farklı faz açılarına sahip iki sinyalin akım sinyali ile çarpılmasıyla sağlanır. Bu komütasyon metodu en iyi sonucu verirken akımı, hızı ve konumu kontrol etmek için aynı işlemci kullanıldığından daha hızlı sürekli rejim zamanına ulaşma ve daha sıkışık servo döngüleri elde edilir. Lineer motorlarda sinüsoidal komütasyonun kullanılması hareketin daha düzgün olmasını ve motorun daha az ısınarak daha verimli çalışmasını sağlar.

Genel olarak kullanılan teknik hall effect cihazını başlangıçta kullanmak ve daha sonra sinüsoidal olarak komütasyona devam etmektir. Her durumda komütasyon hızı sınırlayıcı bir etken değildir.



3 Fazlı Komütasyonda Sargılara Giden Kablo Bağlantısı



2. Şekline Göre Sınıflandırma

Bir lineer motor şekline göre yassı, U-kanal, veya tüp şeklinde olabilir. Bunlar arasından seçim yaparken uygulanacak yerin uygunluğuna gerekliliklere ve çalışma ortamına bağlıdır.

a) Tüp Şeklindeki Lineer Motorlar

Bu motorlarda forcer silindirik biçimdedir ve yine mıknatısları tutan silindirik bir çubuk içinde hareket etmektedir. Bu motorlar ilk olarak ticari uygulama alanları bulan lineer motorlardandır. Manyetik düzeneği manyetik actuatorlerinkine benzerdir. Tek fark bunda stroku arttırmak için bobin sargıları tekrarlanmıştır. 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 ve parmakların manyetik çubukla bu çubuğun etkileşim içinde olduğu yüzey arasına sıkışmamasına dikkat edilmelidir. Tüp şeklindeki tasarımda en büyük problem alınan mesafenin artmasında kendini gösterir. Motor tamamen silindirik olduğundan ve çubuk boyunca hareket ettiğinden bu tasarımı sadece uçlardan yataklayabiliriz. Buna göre mesafe artışı çubuğun sehim yaparak mıknatısların forcera değmemesi için belli bir limit dahilinde tutulmalıdır.

     

Tüp Şeklindeki Lineer Motorlar



b) U Kanal Şeklindeki Lineer Motorlar

Bu tip lineer motorlar birbirine bakan iki paralel mıknatıs raydan 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 mevcut değildir. Demirsiz bobinlerin kütlesi düşüktür ve yüksek ivmelenmelere izin verirler. Tipik olarak bobin sargıları üç fazlı fırçasız komütasyonludur. Motora hava soğutması eklenerek daha fazla performans elde edilebilir. Bu tip lineer motor tasarımı mıknatısların birbirine bakması ve U şeklindeki kasası ile daha az manyetik alan sızıntısına sebep olur. Bu ayrıca cisimlerin güçlü mıknatıslar tarafından yakalanma riskinide azaltır. Mıknatıslı rayın tasarımı sebebiyle katedilen mesafe birbirlerine eklenmek suretiyle arttırılabilir. Sınırlayıcı özellikler kabloların boyu ve mevcut enkoder boyudur.



U Kanal Şeklindeki Lineer Motor



c) Yassı Lineer Motorlar

     

Yassı Lineer Motorlar



Bu motorlarda kendi içinde slotsuz demirsiz, slotsuz demirli ve slotlu demirli olarak sınıflandırılır.

I. Slotsuz Demirsiz Yassı Motorlar

Slotsuz demirsiz yassı motor alüminyum kaideye monte edilmiş bobin serilerinden oluşur. Forcerda demir bulunmaması sebebiyle 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.



Slotsuz Demirsiz Yassı Motor



Bu tip tasarım yassı ray tasarımları arasında en az kuvvet verenidir. Genel olarak yassı mıknatıslı rayların yüksek manyetik alan sızıntıları vardır ve diğer metallerle etkileşimlerinden sakınılmalıdır.

II. Slotsuz Demirli Yassı Motorlar



Slotsuz Demirli Yassı Motor



Slotsuz demirli yassı motorlar slotsuz demirsiz yassı motorlarla aynı konstrüksiyona sahiptir. Tek fark bobinler önce demir tabakalara sonra alüminyum kaideye monte edilmiştir. Demir tabakalar manyetik alanı yönlendirmek ve kuvveti arttırmak için kullanılırlar. Forcerdaki demir tabakalar nedeniyle forcer ile ray arasında bir çekim kuvveti oluşur ve motorun oluşturduğu kuvvetle orantılıdır. Bu tabakalar sebebiyle motorda bir adımlama kuvveti oluşur. Forcerı manyetik raya yerleştirirken yaralanmalarada dikkat edilmelidir.

III. Slotlu Demirli Yassı Motorlar



Slotlu Demirli Yassı Motor



Bu tip lineer motorlarda bobin sargıları demir blokların arasına yerleştirilmiştir. Demir çekirdek sargıların oluşturduğu manyetik alanı odaklayarak önemli derecede motor kuvvetini arttırır. Demir çekirdek ile mıknatıslı ray arasında kuvvetli bir çekim kuvveti vardır ve bu avantaj olarak havalı yataklama sistemi için önyükleme olarak kullanılabilir fakat bu kuvvetler aynı zamanda yataklardaki aşınmayı arttırır. Aynı zamanda adımlama kuvvetleri meydana gelecektir ve bunlar mıknatısları eğri olarak yerleştirerek azaltılabilir.

3. Çekirdek Tipine Göre Sınıflandırma

a) Demir Çekirdekli Lineer Motorlar

Bu motor tasarımını fırçasız döner motorlardan alır. Motorda yassı bir ray üzerine yerleştirilmiş sabit mıknatıslar bulunur. Forcer levhalardan ve bu levhaların dişleri veya slotları etrafına yerleştirilmiş 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.



Demir Çekirdekli Lineer Motor



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 yapıldığından ve forcer ile ray arasındaki boşluk 0.8 mm kadar olduğundan forcer ile ray arasında çok güçlü bir çekim kuvveti mevcuttur. 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. Bu kuvvet lineer yataklar boyutlandırılırken hesaba katılmalıdır. Forcer demirden yapıldığından mıknatıslar üzerinden geçtiğinde her mıknatısın üzerinden geçişte itme kuvvetinde değişimler meydana gelir. Buna adımlama adı verilir ve düşük hızlarda hızda dalgalanmalara neden olduğundan düzgünlüğü etkiler. Bu motor tasarımı adımlama etkisini azaltmak üzere mıkntasıları eğik yerleştirmek suretiyle veya başka bazı yöntemlerle optimize edilmiştir.

b) Hava Çekirdekli Lineer Motorlar



Hava Çekirdekli Lineer Motor



Bu konstrüksiyon hava çekirdekli veya demirsiz olarak adlandırılmaktadır. İki mıknatıslı ray birbirine zıt kutupları bakacak şekilde yerleştirilir. Forcer epoksi içine yerleştirilmiş bobin sargılardan oluşur. Bu sargıların üstüde alüminyum levha ile kapatılmıştır. Bu levha yükü bağlamak ve ısıyı dış ortama transfer etmek için kullanılır. Sargılarda demir yoktur. Demir çekirdekte olduğu gibi termal sensörler ve hall effect sensörleri forcera yerleştirilmiştir. Forcerda demir olmadığından forcer ile ray arasında bir çekim kuvveti mevcut değildir. Bu yataklar üzerinde ekstra yüklerin olmaması demektir. Bu kuvvetlerin olmaması sayesinde motorun yönetilmesi ve kurulması kolaydır. Ayrıca çekim kuvvetleri olmaması nedeniyle adımlamada mevcut değildir. Bu nedenle aşırı hız kontrolü gerektiren uygulamalara uygundur. Bu tip motorlar sürtünmesiz ve çok düzgün olması nedeniyle hava yataklamaları ile beraber kullanılırlar. Çok düşük yüklerin mevcut olduğu uygulamalarda forcerın ağırlığınında düşük olması bir avantajdır. Bu tip motorlarda forcer hafiftir. Böylece düşük ağırlıklarda yüksek ivlenmeler ve daha fazla işlem hacmi mümkündür.

Sargılar epoksi içinde tutulduğundan bobinlerdeki ısının ortamı terketmesinin tek yolu sargılardan alüminyuma aktarılması oradanda bir heatsinke aktarılmasıdır. Isı ayrıca hava boşluğundan ve mıknatıslı ray içinden geçer. Bu yolların herbirinin yüksek ısıl direnci olduğundan motorun ısı kontrolü zordur. Forcer bobinlerden ve epoksiden meydana gelir ve kuvvet bobinlerde meydana geldiğinden kullanılan tüm kuvvet bobinler ve epoksi üzerindedir. Bu yapı demir çekirdekliye göre daha zayıftır. Bu zayıflık ilave yapısal elemanlar eklenmeden imal edilmiş motorlarda maksimum boyutları ve kuvvetleri sınırlar. Isı kaynaklı ve yapısal sınırlamalar nedeniyle bu tip motorlarda hacim başına düşen kuvvet düşüktür. Çift raylı tasarım ayrıca fazladan yer kaplar.

c) Slotsuz Lineer Motorlar



Slotsuz Lineer Motor



Ray demir çekridekli tasarımda kullanılanla aynı yapıya sahiptir. Forcer ise hava çekirdekli motorlardaki bobin tasarımından oluşur. Bu bobinlerin üzerine demir bir levha yerleştirilmiştir. Ve bu yapı altı açık alüminyum bir kasa içerisine yerleştirilmiştir. Sonra kasanın içi epoksi ile doldurularak sargılar ve demir levha koruma altına alınır. Termal sensörlerde içindedir. Slotsuz tasarım demir çekirdekli ve hava çekirdeklinin bir melezi olduğundan avantajları ve dezavantajları bu iki tipin mukayesesidir.

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 yapılması ve sargıların bu kasaya bağlanması nedeniyle forcerın dayanımı hava çekirdekliye göre daha fazladır. Hava çekirdekli motorlar kadar olmasa bile slotsuz tasarım demir çekirdekliye göre daha hafiftir. Bu düşük yük uygulamalarında yüksek iş hacmi anlamına gelir. Slotsuz tasarımda demir levha olması forcer ile ray arasında çekim kuvvetleri meydana getirir fakat 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 olması sebebiyle slotsuz tasarımda adımlama daha azdır. Bu slotsuz tasarımın İyi hız kontrolü gerektiren uygulamalarda da çalışabilmesini sağlar. Slotsuz tasarımda bobinlerin demir levha ile ve onunda alüminyum kasa ile teması sayesinde ısı transferi iyidir ve bunla kolayca başedilebilir. Hacim başına kuvvet bu tasarımda hava çekirdekli ile demir çekirdekli arasındadır. Slotsuz tasarımın ısı transfer yolu daha iyi olduğundan hava çekirdekliye göre daha yüksek akımlara izin verir ve bu nedenle daha yüksek kuvvetler doğurur.



Çekirdeklerin Birbirleri ile Karşılaştırılması