T.C. PAMUKKALE ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ ELEKTRĠK-ELEKTRONĠK MÜHENDĠSLĠĞĠ ANABĠLĠM DALI

Transkript

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 DENĠZLĠ, ARALIK

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 UMUT YUSUF GÜNDOĞAR DENĠZLĠ, ARALIK

3

4

5 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 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. i

6 ABSTRACT MAGNETICS, MECHANICAL ANALYSIS AND IMPLEMENTATION OF DOUBLE EXCITED SPHERICAL MOTOR MSC THESIS UMUT YUSUF GÜNDOĞAR 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. ii

7 ĠÇĠNDEKĠLER Sayfa ÖZET... i ABSTRACT... ii ĠÇĠNDEKĠLER... iii ġekġl LĠSTESĠ... vi SEMBOL LĠSTESĠ... ix ÖNSÖZ... x 1. GĠRĠġ KÜRESEL MOTORLAR Küresel Motorların Tarihi Ve GeliĢimi ÇalıĢma Prensiplerine Göre Küresel Motorlar Küresel Ġndüksiyon Motoru Yüksek Hızlı Küresel Motor DeğiĢken Relüktanslı Küresel Motor Küresel Adım Motoru Küresel Ultrasonik Motor Yüksek Torklu Küresel Motor Ġki Serbestlik Dereceli Küresel Motor Sabit Mıknatıslı Küresel Motor KÜRESEL MOTORLARDA KULLANILAN MALZEMELER YumuĢak Demir Malzeme Ve Özellikleri Sabit Mıknatıslar Sabit Mıknatıs ÇeĢitleri Ve Özellikleri Teflon Malzeme Ve Özellikleri KÜRESEL MOTORUN TASARIMI Küresel Motorun Tasarımı Ve Modellenmesi Küresel Motoru OluĢturuan Yapılar Küresel Motorun Stator Yapısı Küresel Motorun Rotor Yapısı Küresel Motorun DıĢ Yapısı Küresel Motorun Genel Yapısı KÜRESEL MOTORUN ANALĠZLERĠ Sonlu Elemanlar Yöntemi Tork Ve Kuvvet Hesaplaması Lorentz Kuvveti Ve Torku Zahiri ĠĢ Kuvveti Ve Torku ANSYS Maxwell Ġle Küresel Motorun Elektromanyetik Analizleri Model OluĢturma Malzemelerin Belirlenmesi Sınır ġartları Ve Uyarmaların Belirlenmesi Hesaplanacak Parametrelerin Yazılıma Girilmesi Çözüm Ağı OluĢturma Küresel Motorun Elektromanyetik Analizlerinin Ġrdelenmesi Küresel Motorun Rotor Analizi α=0 Pozisyonu Ġçin Küresel Motorun Manyetik Analizi α=30 Pozisyonu Ġçin Küresel Motorun Manyetik Analizi iii

8 5.5 ANSYS Mechanical Ġle Küresel Motorun Yapısal Analizleri ANSYS Workbench Ġle Çoklu Fizik Bağlantı Ve ÇalıĢma Malzemelerin Belirlenmesi Sınır ġartları Ve Uyarmaların Belirlenmesi Hesaplanacak Parametrelerin Yazılıma Girilmesi Çözüm Ağı OluĢturma Küresel Motorun Yapısal Analizlerinin Ġrdelenmesi α=0 Pozisyonu Ġçin Küresel Motorun Yapısal Analizi α=30 Pozisyonu Ġçin Küresel Motorun Yapısal Analizi KÜRESEL MOTORUN PROTOTĠPĠ Küresel Motorun Prototipini OluĢturan Yapılar Küresel Motorun Stator Yapısının Prototipi Küresel Motorun Rotor Yapısının Prototipi Küresel Motorun DıĢ Yapısının Prototipi KÜRESEL MOTORUN KONTROLÜ ARM Ġle Küresel Motorun Kontrolü ARM Kontrol Kartı Sürücü Devresi Sargıların Akım Sıralarının Belirlenmesi SONUÇLAR VE ÖNERĠLER KAYNAKLAR EKLER EK A Kontrol Yazılımı EK B1 +Y Ekseninde Hareket EK B2 -Y Ekseninde Hareket EK B3 +X Ekseninde Hareket EK B4 -X Ekseninde Hareket EK B5 +X+Y Ekseninde Hareket EK B6 -X-Y Ekseninde Hareket EK B7 +X-Y Ekseninde Hareket EK B8 -X+Y Ekseninde Hareket EK C1 Küresel Motorun +Y Yönü Elektromanyetik Analizleri EK C2 Küresel Motorun -Y Yönü Elektromanyetik Analizleri EK C3 Küresel Motorun +X Yönü Elektromanyetik Analizleri EK C4 Küresel Motorun -X Yönü Elektromanyetik Analizleri EK C5 Küresel Motorun +X+Y Yönü Elektromanyetik Analizleri EK C6 Küresel Motorun -X-Y Yönü Elektromanyetik Analizleri EK C7 Küresel Motorun +X-Y Yönü Elektromanyetik Analizleri EK C8 Küresel Motorun -X+Y Yönü Elektromanyetik Analizleri EK D1 Küresel Motorun +Y Yönü Yapısal Analizleri EK D2 Küresel Motorun -Y Yönü Yapısal Analizleri EK D3 Küresel Motorun +X Yönü Yapısal Analizleri EK D4 Küresel Motorun -X Yönü Yapısal Analizleri EK D5 Küresel Motorun +X+Y Yönü Yapısal Analizleri EK D6 Küresel Motorun -X-Y Yönü Yapısal Analizleri EK D7 Küresel Motorun +X-Y Yönü Yapısal Analizleri EK D8 Küresel Motorun -X+Y Yönü Yapısal Analizleri EK E1 Küresel Motorun +Y Yönü TorkGrafiği EK E2 Küresel Motorun -Y Yönü Tork Grafiği EK E3 Küresel Motorun +X Yönü Tork Grafiği iv

9 EK E4 Küresel Motorun -X Yönü Tork Grafiği EK E5 Küresel Motorun +X+Y Yönü Tork Grafiği EK E6 Küresel Motorun -X-Y Yönü Tork Grafiği EK E7 Küresel Motorun +X-Y Yönü Tork Grafiği EK E8 Küresel Motorun -X+Y Yönü Tork Grafiği ÖZGEÇMĠġ v

10 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 ġekil 2.7: Um ve arkadaģları tarafından geliģtirilen küresel adım motoru ġekil 2.8: Küresel ultrasonik motor ġekil 2.9: Küresel ultrasonik motorun hareket yönleri ġekil 2.10: Kahlen in tasarımını yaptığı küresel motor ġekil 2.11: Kahlen'in tasarladığı küresel motorun stator sargıları ve rotoru ġekil 2.12: Ġki serbestlik dereceli harekete sahip küresel motorun yapısı ġekil 2.13: Ġki serbestlik dereceli küresel motorun stator yapısı ġekil 2.14: Ġki serbestlik dereceli küresel motorun rotor yapısı ġekil 2.15: Sabit mıknatıslı küresel motor ġekil 2.16: Sabit mıknatıslı küresel motorun katı modeli ve stator kutupları ġekil 2.17: Sabit mıknatıslı küresel motorun prototipi ġekil 3.1: YumuĢak demir malzemenin B-H eğrisi ġekil 3.2: Sabit mıknatısın histerezis döngüsü ġekil 4.1: ANSYS Maxwell yazılımı ve Draw menüsünün görüntüsü ġekil 4.2: Küresel motorun ANSYS Maxwell ile oluģturulan stator nüveleri.. 26 ġekil 4.3: Satorun farklı açılardan görünüģü ġekil 4.4: Sargıların farklı açılardan görünüģü ġekil 4.5: Tasarlanan stator yapısı ġekil 4.6: Küresel motorun rotor yapısı ve sabit mıknatıslar ġekil 4.7: Küresel motorun tasarlanan rotor yapısı ġekil 4.8: Sabit mıknatısların yönleri ġekil 4.9: Küresel motorun dıģ yapısı ġekil 4.10: ANSYS Maxwell ile tasarlanan küresel motorun genel yapısı ġekil 5.1: Küresel motorun modeli ġekil 5.2: Küresel motordaki yapıların malzemelerinin belirlenmesi ġekil 5.3: Küresel motorun sınır Ģartları içindeki hali ġekil 5.4: Sargılardaki uyarmalar ve değerlerinin belirtilmesi ġekil 5.5: Tork parametresinin belirlenmesi ġekil 5.6: Küresel motorun çözüm ağı oluģturulmuģ hali ġekil 5.7: N ve S kutuplarının manyetik akı yoğunluğu vektörel gösterimi ġekil 5.8: Sabit mıknatısların manyetik akı yoğunluğu vektörel dağılımı ġekil 5.9: Sabit mıknatısların manyetik akı yoğunluğu dağılımı ġekil 5.10: Rotor ile sabit mıknatısların manyetik akı yoğunluğu dağılımı ġekil 5.11: Küresel motorun pozitif X yönünde α=0 pozisyonu için manyetik akı yoğunluğu dağılımı ġekil 5.12: Küresel motorun pozitif X yönünde α=0 pozisyonu için manyetik akı yoğunluğu vektörel dağılımı vi

11 ġekil 5.13: Küresel motorun pozitif X yönünde α=30 pozisyonu için manyetik akı yoğunluğu dağılımı ġekil 5.14: Küresel motorun pozitif X yönünde α=30 pozisyonu için manyetik akı yoğunluğu vektörel dağılımı ġekil 5.15: ANSYS Workbench yazılımında çoklu fizik çalıģma bağlantısı ġekil 5.16: ANSYS Mechanical yazılımında malzemelerin belirlenmesi ġekil 5.17: ANSYS Mechanical yazılımında küresel motorun sabit ve kontak noktaları ġekil 5.18: ANSYS Mechanical yazılımında hesaplanacak parametreler ġekil 5.19: ANSYS Mechanical yazılımında küresel motorun çözüm ağı ġekil 5.20: Küresel motorun pozitif X yönünde α=0 pozisyonu için deformasyon ve stres analizi sonuçları ġekil 5.21: Küresel motorun pozitif X yönünde α=30 pozisyonu için deformasyon ve stres analizi sonuçları ġekil 6.1: Prototipi oluģturulan ve gerçeklenen stator yapısı ġekil 6.2: Prototipi oluģturulan ve gerçeklenen rotor yapısı ġekil 6.3: Prototipi oluģturulan ve gerçeklenen küresel motorun dıģ yapısı ġekil 7.1: Kontrol sisteminin blok diyagramı ġekil 7.2: STM32F107VCT6 mikrokontrolörü ġekil 7.3: Regülatör devresi ġekil 7.4: Kontrol kartı ve dokunmatik ekran ġekil 7.5: L298N motor sürücü kartı ġekil 7.6: Proteus ISIS programında çizilen L298N sürücü devresi ġekil 7.7: Küresel motorun sürücü devresi ġekil 7.8: Sargıların akım sırasının gösterimi ġekil 8.1: Küresel motorun prototipi ve hareket yönleri ġekil 8.2: Küresel motorun X eksenindeki tork grafiği ġekil 8.3: Küresel motorun X ile Y koordinatlarının bileģkelerindeki tork grafiği ġekil 8.4: Küresel motorun ve kontrol sisteminin prototipi ġekil B.1: +Y ekseninde hareket ġekil B.2: -Y ekseninde hareket ġekil B.3: +X ekseninde hareket ġekil B.4: -X ekseninde hareket ġekil B.5: +X+Y ekseninde hareket ġekil B.6: -X-Y ekseninde hareket ġekil B.7: +X-Y ekseninde hareket ġekil B.8: -X+Y ekseninde hareket ġekil C.1.1: α=0 ve 5 pozisyonu +Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.1.2: α=10 ve 15 pozisyonu +Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.1.3: α=20 ve 25 pozisyonu +Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.1.4: α=30 pozisyonu +Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.2.1: α=0 ve 5 pozisyonu -Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.2.2: α=10 ve 15 pozisyonu -Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.2.3: α=20 ve 25 pozisyonu -Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.2.4: α=30 pozisyonu -Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.3.1: α=0 ve 5 pozisyonu +X yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.3.2: α=10 ve 15 pozisyonu +X yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.3.3: α=20 ve 25 pozisyonu +X yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.3.4: α=30 pozisyonu +X yönü manyetik akı yoğunluğu vii

12 ġekil C.4.1: α=0 ve 5 pozisyonu -X yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.4.2: α=10 ve 15 pozisyonu -X yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.4.3: α=20 ve 25 pozisyonu -X yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.4.4: α=30 pozisyonu -X yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.5.1: α=0 ve 5 pozisyonu +X+Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.5.2: α=10 ve 15 pozisyonu +X+Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.5.3: α=20 ve 25 pozisyonu +X+Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.5.4: α=30 pozisyonu +X+Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.6.1: α=0 ve 5 pozisyonu -X-Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.6.2: α=10 ve 15 pozisyonu -X-Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.6.3: α=20 ve 25 pozisyonu -X-Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.6.4: α=30 pozisyonu -X-Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.7.1: α=0 ve 5 pozisyonu +X-Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.7.2: α=10 ve 15 pozisyonu +X-Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.7.3: α=20 ve 25 pozisyonu +X-Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.7.4: α=30 pozisyonu +X-Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.8.1: α=0 ve 5 pozisyonu -X+Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.8.2: α=10 ve 15 pozisyonu -X+Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.8.3: α=20 ve 25 pozisyonu -X+Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil C.8.4: α=30 pozisyonu -X+Y yönü manyetik akı yoğunluğu ġekil D.1: α=0 ve 30 pozisyonu +Y yönü stres ve deformasyon ġekil D.2: α=0 ve 30 pozisyonu -Y yönü stres ve deformasyon ġekil D.3: α=0 ve 30 pozisyonu +X yönü stres ve deformasyon ġekil D.4: α=0 ve 30 pozisyonu -X yönü stres ve deformasyon ġekil D.5: α=0 ve 30 pozisyonu +X+Y yönü stres ve deformasyon ġekil D.6: α=0 ve 30 pozisyonu -X-Y yönü stres ve deformasyon ġekil D.7: α=0 ve 30 pozisyonu +X-Y yönü stres ve deformasyon ġekil D.8: α=0 ve 30 pozisyonu -X+Y yönü stres ve deformasyon ġekil E.1: α=0-30 pozisyonlarında +Y yönü tork grafiği ġekil E.2: α=0-30 pozisyonlarında -Y yönü tork grafiği ġekil E.3: α=0-30 pozisyonlarında +X yönü tork grafiği ġekil E.4: α=0-30 pozisyonlarında -X yönü tork grafiği ġekil E.5: α=0-30 pozisyonlarında +X+Y yönü tork grafiği ġekil E.6: α=0-30 pozisyonlarında -X-Y yönü tork grafiği ġekil E.7: α=0-30 pozisyonlarında +X-Y yönü tork grafiği ġekil E.8: α=0-30 pozisyonlarında -X+Y yönü tork grafiği viii

13 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 B r : Kalıcı Akı Yoğunluğu H c : Mıknatıslanma Gidericiliği P : Sabit Mıknatıs Doyum Noktası F : Kuvvet (N) T : Tork (Nm) J : Akım Yoğunluğu (A/mm 2 ) W m : Manyetik Enerji Yoğunluğu r : Dönme Eksenine Dik Moment Kolu F L : Lorentz Kuvvveti PID : Geri Besleme Denetleyicisi Kontrol Yöntemi ix

14 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. x

15 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. 1

16 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). 2

17 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 1988 a,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 a,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 a,b, Lee ve diğ. 2009). 3

18 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. 4

19 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. 5

20 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 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 2005 b, 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. 6

21 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. 7

22 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 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. 8

23 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. 9

24 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 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. 10

25 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) 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). 11

26 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. ġekil 2.9: Küresel ultrasonik motorun hareket yönleri 12

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

28 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 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). 14

29 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. 15

30 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 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. 16

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

32 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. ġekil 2.17: Sabit mıknatıslı küresel motorun prototipi 18

33 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. 19

34 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 (B r ) ve mıknatıslanmayı giderici kuvveti 20

35 (H c ) 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 (-B r ) ulaģır. Daha sonra ise uygulanan manyetik alanın tersi yönünde S noktasına ulaģana dek manyetik alan arttırılarak histerezis eğrisi tamamlanır. 21

36 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 22

37 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. 23

38 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 24

39 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. 25

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

41 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. ġekil 4.4: Sargıların farklı açılardan görünüģü 27

42 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 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. 28

43 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. ġekil 4.7: Küresel motorun tasarlanan rotor yapısı 29

44 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 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. 30

45 ġekil 4.9: Küresel motorun dıģ yapısı 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. ġekil 4.10: ANSYS Maxwell ile tasarlanan küresel motorun genel yapısı 31

46 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. 32

47 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 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. f Tel = J B (5.1) EĢitlik (5.1) in hacimsel integrali alınırsa Lorentz kuvveti (5.2) eģitliğine dönüģür. F L = f dv (5.2) v 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. T = r J B v dv (5.3) 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. 33

48 T = m B (5.4) m = i 1 s (5.5) 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. W m = H dv (5.6) 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. T = dw θ, i dθ (5.7) F = dw s, i ds (5.8) yöntemidir. Zahiri iģ torku, elektromekanik sistemlerde en çok kullanılan tork hesaplama 34

49 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 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. ġekil 5.1: Küresel motorun modeli 35

50 5.3.2 Malzemelerin Belirlenmesi Model oluģturulduktan sonra küresel motor üzerindeki her yapının malzeme bilgilerinin girilmesi gerekmektedir. Küresel motoru oluģturan yapılar hem doğrusal hem de doğrusal olmayan malzemelerden oluģmaktadır. Yapılan analizlerde stator ve motor mili malzemesi olarak doğrusal olmayan ve B-H eğrisine sahip yumuģak demir kullanılmıģtır. Mıknatıslar için malzeme olarak NdFe35 kullanılmıģtır. Sargılarda bakır malzemesi kullanılmıģtır. Rotor ve küresel motorun dıģ yapısı için ise teflon malzeme kullanılmıģtır. Tüm malzemelerin bilgileri ANSYS Maxwell malzeme kütüphanesinden seçilmiģtir. ġekil 5.2 de yazılımda küresel motoru oluģturan yapıların malzeme bilgilerinin belirlenmesi gösterilmektedir. ġekil 5.2: Küresel motordaki yapıların malzemelerinin belirlenmesi Sınır ġartları Ve Uyarmaların Belirlenmesi Model oluģturulduktan sonra analizde en önemli konular arasında analiz sınır Ģartlarının belirlenmesi ve uyarmaların verilmesi gelir. Elektromanyetik analizi yapılacak modelin havadan dolaģan kaçak akıları oldukça fazlaysa sınır Ģartı modelin büyüklüğünün 36

51 katları alınarak belirlenebilir. Modelin büyüklüğünün belirlenecek katı kadar bir sınır Ģartı belirlendiğinde tahmini olarak belirlenen sınır Ģartının geçtiği yerdeki B manyetik akı yoğunluk değerinin sıfır olduğu kabul edilmektedir. Sınır Ģartları, analizi yapılacak modeli çevreleyen bir manyetik devre varsa modelin kendi büyüklüğünün yarısı kadar veya biraz daha büyük bir sınır alınarak belirlenebilir. Sınır Ģartı olarak belirlenen noktada B manyetik akı yoğunluğu sıfır kabul edilmektedir. Sınır Ģartları belirlenmezse yapılacak analizlerde hatalar meydana gelebilir. Modelde motorun boyutlarının yarısı kadar uzaklıkta bir sınır Ģartı belirlenmiģtir. ġekil 5.3 te modelin sınır Ģartları içindeki hali gösterilmektedir. ġekil 5.3: Küresel motorun sınır Ģartları içindeki hali Küresel motorun sargıları 225 sarımdan oluģtuğu tanımlandıktan sonra sargılara 1A değerinde akım verilerek uyarmaları belirlenmiģtir. Statik elektromanyetik analizde uyarma olarak sargılara amper-tur cinsinden değerler girilmelidir. Böylelikle sargıların kaç sarımlı olduğu bilgisi de yazılıma girilmiģ olur. ġekil 5.4 te sargılara verilen uyarmalar gösterilmektedir. 37

52 ġekil 5.4: Sargılardaki uyarmalar ve değerlerinin belirtilmesi Hesaplanacak Parametrelerin Yazılıma Girilmesi Analizi yapılacak modele hangi parametrelerin sonuç olarak görülmesinin istendiği yazılıma girilmesi gerekmektedir. Yapılan analizlerde tork hesaplamaları yapılmıģtır. Tork hesaplamasında motorun çalıģma torklarının değil anlık torklarının belirlenmesi sağlanmıģtır. Tork parametresi de zahiri tork hesaplanmıģtır. Bu değerler de modelin çıkartılması adına önemlidir. ġekil 5.5 te tork parametresinin belirlenmesi gösterilmektedir. ġekil 5.5: Tork parametresinin belirlenmesi 38

53 5.3.5 Çözüm Ağı OluĢturma Analizler için bir diğer önemli konu ise sonlu elemanlar yönteminde çözüm ağının belirlenmesidir. ANSYS Maxwell yazılımı analizlerin sonuçlanması için model üzerine çözüm ağlarını kendisi belirlemektedir fakat bazı karmaģık modellerde çözüm ağının sıklaģtırılması için ek çözüm ağı yapısı oluģturulması gerekmektedir. Uyarladığı çözüm ağı yeterliyse yazılım yeterli olduğuna dair bilgiyi kullanıcıya sunar. Çözüm ağının sayısı sonucun hassasiyeti açısından önemlidir fakat fazla olması durumunda da analiz süresinin uzamasına neden olur. Modelde yazılımın oluģturduğu çözüm ağı ve ilave olarak girilen çözüm ağı yapısı belirlenerek analizler gerçekleģtirilmiģtir. Modellerde küresel motorun hareket yönlerine ve hareket anında yaptığı açısal pozisyona göre yaklaģık olarak ile çözüm ağı oluģturularak analizler yapılmıģtır. ġekil 5.6 da modelin çözüm ağı gösterilmiģtir. ġekil 5.6: Küresel motorun çözüm ağı oluģturulmuģ hali 5.4 Küresel Motorun Elektromanyetik Analizlerinin Ġrdelenmesi Tasarlanan küresel motorun parametrelerinin bulunması için elektromanyetik analizlerin yapılması gerekir. Küresel rotorun elektromanyetik analizleri yapılarak manyetik akı yoğunluğu dağılımları incelendi. Küresel koordinat sistemindeki α açısının değiģimine göre 5 lik adımlarla küresel motorun analizleri yapıldı. α değeri eksenlere ve 39

54 bileģkelerinedoğru küresel motorun yaptığı hareketleri tanımlamaktadır. Dolayısı ile α=±30 arası değiģmektedir. Bu değiģimlere göre küresel motorun tork ve manyetik akı yoğunluğu dağılımı gibi parametrelerin değiģimleri bulunmuģtur Küresel Motorun Rotor Analizi Küresel motorun ANSYS Maxwell yazılımındaki sonlu elemanlar yöntemiye gerçekleģtirilen analizleri incelendiğinde rotordaki sabit mıknatısların manyetik alan yönleri net bir Ģekilde görülmektedir. ġekil 5.7'de küresel rotordaki sabit mıknatıslardan hem S kutbundan hem de N kutbundan birer mıknatısın manyetik akı yoğunluğu vektörel olarak gösterilmektedir. ġekil 5.7: N ve S kutuplarının manyetik akı yoğunluğu vektörel gösterimi Küresel rotordaki tüm sabit mıknatısların manyetik akı yoğunluğu vektörleri incelendiğinde manyetik akı yoğunluğu vektörlerinin N kutuplarından çıkıp S kutuplarına doğru yönlendiği görülmektedir. ġekil 5.8'de küresel rotordaki sabit mıknatısların manyetik akı yoğunluğu vektörlerinin dağılımı gösterilmektedir. 40

55 ġekil 5.8: Sabit mıknatısların manyetik akı yoğunluğu vektörel dağılımı Küresel motorun rotorundaki sabit mıknatısların elektromanyetik analizleri incelendiğinde mıknatısların birbirleriyle etkileģime yakın oldukları bölgelerde manyetik akı yoğunluklarının daha fazla olduğu görülmektedir. ġekil 5.9'da küresel rotordaki sabit mıknatısların manyetik akı yoğunluğu dağılımı gösterilmektedir. ġekil 5.9: Sabit mıknatısların manyetik akı yoğunluğu dağılımı 41

56 Küresel motorun teflon malzemeden yapılan küresel rotoru ile sabit mıknatıslarla birlikte elektromanyetik analizleri yapıldıktan sonra rotorda oluģan manyetik akı yoğunluğu dağılımı elde edilmektedir. ġekil 5.10'da küresel rotor ile sabit mıknatısların manyetik akı yoğunluğu dağılımı gösterilmektedir. ġekil 5.10: Rotor ile sabit mıknatısların manyetik akı yoğunluğu dağılımı Rotorun elektromanyetik analizleri incelendiğinde manyetik akı yoğunluğunun ortalama olarak 0,5 T değerinde olduğu görülmektedir. Mıknatısların birbirlerine yakın oldukları uç kısımlarda manyetik akı yoğunluğu değeri çok küçük bir bölgede en fazla 0,8 T ile 0,9 T değerinde olduğu görülmektedir. Kullanılan mıknatısların manyetik kalıcı akı yoğunluğu değeri 1,23 T değerindedir α=0 Pozisyonu Ġçin Küresel MotorunManyetik Analizi Küresel motorun analizleri gerçekleģtirilerek sahip olduğu manyetik akı yoğunluğu dağılımı, tork gibi parametreleri elde edilmiģtir. Buna göre ilk olarak pozitif X yönündeki hareketini yapmadan önceki küresel motorun statik olarak konumlandığı ilk durumunun analizi gerçekleģtirilmiģtir. α açısı sıfır olacak Ģekilde küresel motor konumlandırılarak analizler yapılmıģtır. Küresel motor hareketini pozitif X yönünde yapmaya baģlayacağı için 2 Alt, 3 Alt, 5 Üst, 6 Üst sargıları enerjilendiğinde oluģan manyetik akı yoğunluğu dağılımları elde edilmiģtir. ġekil 5.11 de küresel motorun pozitif X yönünde α=0 konumundayken B manyetik akı yoğunluğu dağılımı verilmiģtir. 42

57 ġekil 5.11: Küresel motorun pozitif X yönünde α=0 pozisyonu için manyetik akı yoğunluğu dağılımı ġekilde görülen enerjilenen hem üst hem alt sargılarınuç kısımlarında B manyetik akı yoğunluğu daha fazladır ve küresel motorun genelinde simetrik bir akı dağılımı söz konusudur. Ayrıca rotorun küresel motorun merkezinde konumlandığı anlaģılmaktadır. Stator kutupları incelendiğinde manyetik akı yoğunluğu değerlerinin malzemeyi doyuma ulaģtırmadığı ve bundan dolayı uyarma olarak verilen akımların uygun olduğu gözlenmiģtir. 43

58 Manyetik akı yoğunlukları belirlenen küresel motorun manyetik akı yoğunluğunun vektörel olarak da dağılımı elde edilmiģtir. ġekil 5.12 de küresel motorun pozitif X yönünde α=0 konumundayken B manyetik akı yoğunluğunun vektörel dağılımı verilmiģtir. ġekil 5.12: Küresel motorun pozitif X yönünde α=0 pozisyonu için manyetik akı yoğunluğu vektörel dağılımı α=30 Pozisyonu Ġçin Küresel Motorun Manyetik Analizi Küresel motor pozitif X yönünde α=30 açısal hareket yaptığı konumdayken analizleri gerçekleģtirilmiģtir. Küresel motor hareketini pozitif X yönünde yapacağı için 2 Alt, 3 Alt, 5 Üst, 6 Üst sargıları enerjilendiğinde oluģan manyetik akı dağılımları elde edildi. ġekil 5.13 te küresel motorun pozitif X yönünde α=30 konumundayken B manyetik akı yoğunluğu dağılımı verilmiģtir. 44

59 ġekil 5.13: Küresel motorun pozitif X yönünde α=30 pozisyonu için manyetik akı yoğunluğu dağılımı Küresel motorun α=30 pozisyonunda konumuna gelip dönüģ yaptığında rotor kutuplarının hareket yönüne ve sargılara yaklaģtığı için rotor kutupları ile sargılar arasındaki etkileģim artmaktadır. Bu etkileģimin sonucunda B manyetik akı yoğunluğunun arttığı görülebilir. Manyetik akı yoğunlukları belirlenen küresel motorun manyetik akı yoğunluğunun vektörel olarak da dağılımı elde edilmiģtir. ġekil 5.14 te küresel motorun pozitif X yönünde α=30 konumundayken B manyetik akı yoğunluğunun vektörel dağılımı verilmiģtir. 45

60 ġekil 5.14: Küresel motorun pozitif X yönünde α=30 pozisyonu için manyetik akı yoğunluğu dağılımı 5.5 ANSYS Mechanical Ġle Küresel Motorun Yapısal Analizleri Küresel motorun ANSYS Maxwell ile elektromanyetik analizleri gerçekleģtirildikten sonra ANSYS Workbench yazılımında elektromanyetik ile yapısal kısımların bağlantıları oluģturulup çoklu fizik çalıģmalar yapılarak dayanım ve stres gibi yapısal özellikleri ANSYS Mechanical yazılımında analiz edilmiģtir. Çoklu fizik çalıģmada ANSYS Mechanical yazılımının Static Structural çözücüsü kullanıldı ( ANSYS Mechanical 2015) ANSYS Workbench Ġle Çoklu Fizik Bağlantı Ve ÇalıĢma Yapısal durumunun incelenmesi için elektromanyetik analizleri ile yapısal analizleri ANSYS Workbench yazılımında birbirilerine bağlanarak çoklu fizik çalıģma gerçekleģtirilebilmektedir (ANSYS Workbench 2015). Küresel motorun ANSYS Maxwell ile yapılan elektromanyetik analizlerinin sonuçları, ANSYS Mechanical yazılımının analiz 46

61 girdileri olmaktadır. Küresel motorun yapısal analizleri için ANSYS Workbench yazılımında çoklu fizik çalıģma ile analizler gerçekleģtirildi. ġekil 5.15'te ANSYS Workbench yazılımının arayüzünde ANSYS Maxwell ile ANSYS Mechanical yazılımlarıyla gerçekleģtirilen çoklu fizik çalıģma bağlantısı görülmektedir. ġekil 5.15: ANSYS Workbench yazılımında çoklu fizik çalıģma bağlantısı Malzemelerin Belirlenmesi Küresel motorun malzemelerinin mekanik özellikleri ANSYS Mechanical yazılımına girilmiģtir. Malzemelerin mekanik özellikleri olarak genel olarak kütleleri, enlerine doğru kısalma uzunluğunun boylarına göre uzama uzunluğuna oranları, dayanım özellikleri, kuvvet veya yük altındayken elastik Ģekil veya biçimdeğiģtirmelerinin ölçüleri tanımlanmıģtır. ġekil 5.16'da ANSYS Mechanical yazılımında küresel motorun malzemelerinin belirlenmesi görülmektedir. 47

62 ġekil 5.16: ANSYS Mechanical yazılımında malzemelerin belirlenmesi Sınır ġartları Ve Uyarmaların Belirlenmesi ANSYS Mechanical yazılımına, ANSYS Maxwell yazılımından gelen kuvvetler küresel motora dağıtılmıģtır. Ayrıca küresel motorun mekanik yapısının sabit olduğu elemanlara sabitleme noktaları ve bölgeleri tanımlanmıģtır. ġekil 5.17'de gösterildiği gibi küresel motorun kontak noktaları ve sabitlendiği noktalar belirlenmiģtir. 48

63 ġekil 5.17: ANSYS Mechanical yazılımında küresel motorun sabit ve kontak noktaları Hesaplanacak Parametrelerin Yazılıma Girilmesi Küresel motorun yapısal analizler sonucunda mekanik yapısının deformasyon ve stres parametreleri elde edilmesi için bu parametreler yazılıma girilmiģtir. ġekil 5.18'de ANSYS Mechanical yazılımında hesaplanacak parametreler gösterilmektedir. ġekil 5.18: ANSYS Mechanical yazılmında hesaplanacak parametreler 49

64 5.5.5 Çözüm Ağı OluĢturma ANSYS Maxwell'de analiz edilen küresel motorun çözüm ağı yapısı ANSYS Mechanical yazılımında da kullanılmıģtır. ġekil 5.19'da ANSYS Mechanical yazılımındaki çözüm ağı yapısı gösterilmektedir. ġekil 5.19: ANSYS Mechanical yazılımında küresel motorun çözüm ağı 5.6 Küresel Motorun Yapısal Analizlerinin Ġrdelenmesi Küresel motorun her hareket yönüne göre α=0 ve α=30 pozisyonundayken ANSYS Mechanical yazılımında yapısal durumu analiz edilmiģtir. Böylece küresel motorun sadece elektromanyetik analizleri değil yapısal analizleri de gerçekleģtirilerek deformasyon ve stres parametreleri elde edilmiģtir α=0 Pozisyonu Ġçin Küresel Motorun Yapısal Analizi ANSYS Mechanical StaticStructural yazılımında küresel motorun pozitif X yönünde α=0 konumunda ve sargıların enerjilendiği durumundaki deformasyon ve stres değerleri analiz edilmiģtir. ġekil 5.20'de küresel motorun pozitif X yönündeki deformasyon ve stres analizleri gösterilmektedir. 50

65 ġekil 5.20: Küresel motorun pozitif X yönünde α=0 pozisyonu için deformasyon ve stres analizi sonuçları Analizler incelendiğinde toplam maksimum yer değiģtirme rotor kısmında 0,04 mm olarak elde edilmiģtir. Bu değer çok küçük olduğu için ihmal edilebilir seviyededir. Gerilmeler incelendiğinde maksimum eģdeğer gerilme değeri 12 MPa olarak motor milinde ve minimum eģdeğer gerilme değeri 1, MPa olarak stator bölgesinde elde edilmiģtir. Motor milinin ve statorun malzemesi olan yumuģak demirin 207 MPa akma değerine sahip olduğundan gerekli mukavemeti sağladığı tespit edilmiģtir. Sabit mıknatısların da ortalama olarak 1 MPa akma değerinin altında bir değerde eģdeğer gerilime sahip olduğu görümüģtür. Sabit mıknatısın malzemesi NdFeB olarak seçilmiģtir. Bu malzemenin akma değerinin 80 MPa olduğu göz önüne alınırsa sistem tanımlı yükler altında gerekli mukavementi sağladığı belirlenmiģtir α=30 Pozisyonu Ġçin Küresel Motorun Yapısal Analizi ANSYS Mechanical Static Structural yazılımında küresel motorun pozitif X yönünde α=30 konumunda ve sargıların enerjilendiği durumundaki deformasyon ve stres değerleri 51

66 analiz edilmiģtir. ġekil 5.21'de küresel motorun pozitif X yönündeki deformasyon ve stres analizleri gösterilmektedir. ġekil 5.21: Küresel motorun pozitif X yönünde α=30 pozisyonu için deformasyon ve stres analizi sonuçları Analizler incelendiğinde toplam maksimum yer değiģtirme rotor kısmında 0,0091 mm olarak elde edilmiģtir. Bu değer çok küçük olduğu için ihmal edilebilir seviyededir. Gerilmeler incelendiğinde maksimum eģdeğer gerilme değeri 2,91 MPa olarak rotora çok yakın olan stator kutbunun uç kısmında ve minimum eģdeğer gerilme değeri 3, MPa olarak stator bölgesinde elde edilmiģtir. Statorun malzemesi olan yumuģak demirin 207 MPa akma değerine sahip olduğundan gerekli mukavemeti sağladığı saptanmıģtır. Teflon malzemeden oluģan rotorda ise eģdeğer gerilme değerini, teflon malzemenin akma değeri olan 23 MPa değerinin oldukça altında olduğu ve gerekli mukavemeti sağladığı görülmüģtür. Genel olarak küresel motorun tanımlı yükler altında gerekli mukavemeti sağladığı belirlenmiģtir. 52

67 6. KÜRESEL MOTORUN PROTOTĠPĠ 6.1 Küresel Motorun Prototipini OluĢturan Yapılar Küresel motorun tasarımı, modellenmesi, ANSYS Maxwell yazılımı ile elektromanyetik analizleri, ANSYS Mechanical yazılımı ile yapısal analizleri yapıldıktan sonra stator yapısı, rotor yapısı ve dıģ yapısı gerçeklenerek prototipi oluģturulmuģtur Küresel Motorun Stator Yapısının Prototipi Küresel motorun gerçeklenen stator yapısı, yumuģak demir malzemeden ve iki stator bloğu yekpare bir parçadan oluģacak Ģekilde CNC tezgahında hassas bir iģçilik sonucunda iģlenmiģtir. Her bir stator bloğunda 6 adet stator kutupları mevcuttur. Stator yapısı yumuģak demir malzemeden üretilerek kalıcı mıknatıslık en aza indirilmiģtir. Stator sargıları, stator bloğundaki stator kutuplarına 0,5 mm çapındaki bakır iletkenlerden 225 sipir sarılarak oluģturulmuģtur. OluĢturulan sargıların 6 tanesi üst stator bloğuna, diğer 6 tanesi de alt stator bloğuna yerleģtirilmiģtir. Statorun yapısı içi boģ yarım silindir Ģeklindedir. Stator blokları birbiriyle aralarında 19 mm mesafe olacak Ģekilde konumlandırılmıģtır. Statorun boyu 43 mm, geniģliği ise 150 mm olacak Ģekilde prototipi oluģturulmuģtur. ġekil 6.1: Prototipi oluģturulan ve gerçeklenen stator yapısı 53

68 ġekil 6.1 de küresel motorun stator modeli ANSYS Maxwell yazılımında çizildikten sonra gerçeklenen stator yapısı görülmektedir Küresel Motorun Rotor Yapısının Prototipi Tasarlanan ve modellenen küresel motorun rotorunun elektromanyetik analizleri gerçekleģtirildikten sonra gerçeklemesi yapılmıģtır. Küresel rotor, manyetik geçirgenliği hava ile çok yakın olan teflon malzemenin içine NdFeB malzemeden 5 mm eninde, 21 mm boyunda ve 30 mm geniģliğinde 2 adet N kutbundan ve 2 adet S kutubundan oluģan 4 adet sabit mıknatısın simetrik olarak yerleģtirilmesiyle oluģturulmuģtur. Küresel motorun düzgün bir hareket sağlaması ve eksenlerdeki hareket kabiliyetlerini tam olarak gerçekleģtirebilmesi için sabit mıkantısların simetrik olarak yerleģtirilmesi gerekmektedir. Sabit mıknatısların rotordaki konumlarının simetrik olması küresel motorun uygun torku oluģturması ve hareket kabiliyetlerini gerçekleģtirebilmesi açısından önemlidir. Küresel motorun yön tayinini sağlamak amacıyla rotorun ortasına motor mili yerleģtirilmiģtir. ġekil 6.2 de prototipi yapılan küresel motorun rotor yapısı gösterilmektedir. ġekil 6.2: Prototipi oluģturulan ve gerçeklenen rotor yapısı 54

69 6.1.3 Küresel Motorun DıĢ Yapısının Prototipi Küresel motorun stator yapısını ve rotor yapısını bir arada sabit tutabilmesi için ve çevresel etkilere karģı tüm yapıların korunması amacıyla 66 mm boyunda, 155 mm geniģliğinde dıģ yapı teflon malzemeden yapılmıģtır. DıĢ yapıda teflon malzemenin kullanılmasında manyetik olarak küresel motorun çalıģmasını etkilememesi ve yapısal olarak yüksek dayanıklılık özelliğine sahip olması göz önünde bulundurulmuģtur. ġekil 6.3 te küresel motorun prototipi oluģturuan dıģ yapısı görülmektedir. ġekil 6.3: Prototipi oluģturulan ve gerçeklenen küresel motorun dıģ yapısı 55

70 7. KÜRESEL MOTORUN KONTROLÜ Tasarımı yapılan ve gerçeklenerek prototipi oluģturulan küresel motorun kontrolü hareket kabiliyetlerinin tam anlamıyla gerçekleģmesi ve verimli çalıģma göstermesi açısından çok önemlidir. Bu sebeple küresel motorun kontrolü özenle dikkat edilmesi ve üzerinde durulması gereken bir konudur. Küresel motorun prototipi oluģturulduktan sonra kontrolü ARM ile yapılmıģtır. Kontrol algoritmasının genel yapısına bakıldığında ARM kontrol kartından iletilen bilgiler doğrultusunda sürücü devreleriyle birlikte küresel motorun sargıları enerjilendikten sonra istenen hareketler yapılarak küresel motor hareketi sağlanmıģtır. 7.1 ARM Ġle Küresel Motorun Kontrolü Üç boyutlu elektromanyetik analizleri yapılan ve analizlerin sonuçlarına göre prototipi gerçekleģtirilen küresel motorun kontrolü ARM mimarisine dayalı Cortex M3 çekirdeğe sahip STM32F107VCT6 mikrokontrolörü ile gerçekleģtirilmiģtir. ARM mikrokontrolör kartına küresel motorun hareket konfigürasyonları için yazılım mikroc programında yazılmıģtır. Küresel motorun 12 adet stator sargısı mevcuttur ve bu sargılar ikiģer ikiģer seri olacak Ģekilde bağlantıları gerçekleģtirilmiģtir. Her bir stator sargısı için sürücü devresi kullanılarak küresel motorun hareketleri sağlanmaktadır. Sürücü devreleri ve stator sargıları 24 VDC gerilim ile beslenmektedir. Kontrol sistemine baktığımızda baģlangıç olarak ilk önce ARM kontrol kartından oluģmaktadır. 24 VDC gerilim ile sürücü devreleri, regülatör devresiyle birlikte 5 VDC gerilim ile de ARM kontrol kartı beslenmektedir. Kontrol kartı 5 VDC gerilimi kendi içinde 3,3 VDC değerine düģürerek çalıģmaktadır. ARM kontrol kartından küresel motorun hareket konfigürasyonuna göre sürücü devrelerine iletilen bilgiler ile küresel motor sargıları enerjilendirilerek hareket sağlanmaktadır. ġekil 7.1 de kontrol devresinin blok diyagramı verilmiģtir. 56

71 ġekil 7.1: Kontrol sisteminin blok diyagramı ARM Kontrol Kartı Küresel motorun kontrolünde kullanılan STM32F107VCT6 mikrokontrolörü ARM Cortex M3 çekirdeğe sahiptir. Maksimum 72 MHz frekansa ve 256 kb program hafızasına sahiptir. ÇalıĢma gerilimi 2 V ile 3,6 V aralığında olabilmektedir. 80 tane giriģ çıkıģ pinlerine sahiptir. En düģük -40 C sıcaklıkta en yüksek ise 80 C sıcaklıkta çalıģabilmektedir (STMicroelectronics 2015). ġekil 7.2'de STM32F107VCT6 mikrokontrolörü gösterilmektedir. ġekil 7.2: STM32F107VCT6 mikrokontrolörü 57

72 STM32F107VCT6 mikrokontrolörünün çalıģmasına yönelik bir kart tasarlanarak kontrol kartı hazır hale getirilmiģtir. Kontrol kartının çalıģması için gerekli olan gerilim değeri LM7805 entegresiyle ve 470 mikrofarad değerindeki iki adet kondansatör ile sağlanmıģtır. 24 VDC gerilim değeri regülatör devresiyle 5 VDC gerilime dönüģtürülmektedir. Böylece 5 VDC gerilim ile kontrol kartı beslenmektedir. Kontrol kartı gelen 5 VDC gerilimi kendi içinde 3,3 VDC gerilime düģürerek çalıģmaktadır. ġekil 7.3'te regülatör devresi gösterilmektedir. ġekil 7.3: Regülatör devresi ARM kontrol kartı tasarlandıktan sonra, üzerine 3,2 inç boyutunda dokunmatik LCD ekran entegre edilmiģtir. Küresel motorun hareket yönleri ekranda gözükmektedir. Küresel motorun kontrol algoritması mikroc programında yazılmıģ ve kontrol kartına aktarılmıģtır. Dokunmatik ekranda kontrol kartına yazılan kodlar doğrultusunda küresel motorun N ve S mıknatıs kutuplarının konumuna göre kontrolünün yapılması için kutup seçimi eklenmiģtir. Kutup seçiminden sonra maksimum 30 lik 8 farklı hareket kabiliyeti ile üç boyutlu hareket konfigürasyonları ekranda görülmektedir. Küresel motorun hangi yöne hareket etmesi isteniyorsa dokunmatik ekrandan seçilerek hareket gerçekleģtirilebilmektedir. ġekil 7.4'te kontrol kartı ile dokunmatik ekran gösterilmektedir. 58

73 ġekil 7.4: Kontrol kartı ve dokunmatik ekran Sürücü Devresi L298N DC ve step motor sürücü kartı ile 2 adet 5 V ile 24 V değerine kadar olan DC motor ve step motorlar kontrol edilebilir. 2 kanallı olan L298N motor sürücü kartı ile kanal baģına 2A ile 3A akım çeken motorlar ileri geri hareket ettirilebilir ve hızları kontrol edilebilir. ġekil 7.5'te L298N motor sürücü kartı gösterilmektedir. 59

74 ġekil 7.5: L298N motor sürücü kartı Kartın üzerinde yüksek sıcaklık ve sürücü devrenin çekmiģ olduğu aģırı akım ve gerilimlerde ARM kontrol kartının zarar görmemesi için kısa devre koruması ile dahili regülatörü vardır. Üzerindeki LED sayesinde motorun sargılarının enerjili halde olup olmadığı görülebilmektedir. Sürücü kartı üzerinde dahili soğutucu bulunmaktadır. Sürücü devresinde 24 VDC kullanıldığı için stator kutuplarının polaritesinin değiģtirilmesi köprü devre ile sağlanmaktadır ve birbirinden bağımsız 2 adet motor kontrol edilebilmektedir. L298N sürücü kartında 2 adet H köprüsü bulunur. Devre yapısı olarak H harfine benzerliğinden dolayı H köprüsü olarak adlandırılır. H köprüsünün yapısını 4 adet transistör oluģturmaktadır. Bu transistörlerin anahtarlanması ile DC motor iki yönde sürülebilir. Sürücü kartında bulunan L298entegresindetoplamda 15 adet bacak bulunmaktadır. Entegrede IN1, IN2, OUT1, OUT2, ENA, SENSA bacakları A köprüsü diye adlandırılan birinci H köprüsü için, IN3, IN4, OUT3, OUT4, ENB, SENSB bacakları B köprüsü diye adlandırılan ikinci H köprüsü için bulunmaktadır. Sargılarda ve küresel motorda oluģabilecek herhangi bir zorlanma durumunda ters akımın entegreye zarar vermemesi için çıkıģlar ile küresel motor sargıları arasında diyotlar mevcuttur. Sürücü kartında LM7805 entegresiyle gerçekleģtirilen 5 VDC regülatör devresi vardır ve sürücü kartına harici olarak küresel motorun sargılarına uygulanacak olan 24 VDC uygulanması yeterlidir. L298N sürücü kartı ile iki motoru birbirinden bağımsız olarak iki yöne sürmek ya da iki farklı motor sargısını enerjilendirerek sürmek mümkündür. Sürücü kartının giriģleri 60

75 IN1,IN2,IN3,IN4 olarak ve çıkıģları OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 olarak belirtilmiģtir. Sürücü kartının giriģlerinden IN1 ve IN3, ARM kontrol kartından hareket konfigürasyonunu almak için aktif hale gelirken, IN2 ve IN4 ise toprak olarak bağlantı yapılır. Sürücü kartının çıkıģlarından OUT1 pozitif uç ve OUT2 negatif uç olmak üzere küresel motorun bir sargısına, OUT3 pozitif uç ve OUT4 negatif uç olmak üzere küresel motorun diğer bir sargısına bağlantıları gerçekleģtirilir. ġekil 7.6 da bir adet sürücü devre kartının Proteus ISIS programındaki tasarımı gösterilmiģtir. ġekil 7.6: Proteus ISIS programında çizilen L298N sürücü devresi Küresel motorda 12 adet stator sargısı mevcut olduğu için her bir L298N sürücü kartında 2 adet stator sargısı sürülebildiği için toplamda 6 adet L298N sürücü kartı kullanılarak sürücü devresi tasarlanmıģtır. ġekil 6.6 daküresel motorun kontrolünde tasarlanan sürücü devresi gösterilmiģtir. ġekil 7.7: Küresel motorun sürücü devresi 61