Sürekli mıknatıslı baskılı devre endüvili doğrusal fırçasız doğru akım motoru tasarımı
Design of permanent magnet linear brushless direct current motor with printed curcuit armature
- Tez No: 100780
- Danışmanlar: PROF.DR. R. NEJAT TUNÇAY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2000
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 140
Özet
SÜREKLİ MIKNATISLI BASKILI DEVRE ENDÜVİLİ DOĞRUSAL FIRÇASIZ DOĞRU AKIM MOTORU TASARIMI ÖZET Bu çalışma, sürekli mıknatıslı baskılı devre endüvili doğrusal bir fırçasız doğru akım motorunun tasarımını, çözümlemelerini ve deneysel sonuçlarını kapsamaktadır. Motor, endüvi magnetik devresinde demir bulunmadığı için aynı zamanda demir çekirdeksiz motor olarak da adlandırılmaktadır. Sürekli mıknatıslı demir çekirdeksiz doğrusal fırçasız d.a. motorları robotik ve mekatronik gibi alanlarda, doğrudan sürüş motorları olarak çeşitli uygulamalar bulmaktadır. Bu uygulamalarda, çoğu kez çok düzgün bir hareket ve göreli olarak büyük öteleme kuvvetlerine gereksinim duyulmaktadır. Bu nedenle, diş ve relüktans kuvvetlerinin ortadan kaldırılması gerekir. Nadir toprak elementi mıknatıslı, demir çekirdeksiz motorlar bu gibi durumlarda çok iyi performans gösterirler. Demir çekirdeksiz tasarımın, yüksek kaçak akı gibi olumsuz özellikleri, yüksek enerji yoğunluklu mıknatıslar kullanarak ve uygun elektromagnetik yapılar tasarlanarak düzeltilebilir. Tasarlanan motor, çift taraflı mıknatıslı uyarma devresi ve bunların arasındaki endüvi sargılarından oluşmaktadır. Bu motor tipi, eksenel akılı ya da sandviç tipi doğrusal motor olarak da adlandırılmaktadır. Motor magnetik akı dağılımını belirlemek için magnetik alan çözümlemeleri yapılmıştır. Çözümlemede, sürekli mıknatıs, hava aralığı, endüvi ampersarımı ve sıcaklık parametreleri dikkate alınmıştır. Motor üç ayrı magnetik bileşenden oluşmaktadır: endüvi sargıları, sürekli mıknatıslar ve sırt demiri. Endüvi sargıları baskılı devre iletkenlerden yapılmıştır ve 15 sarımlı 7 bobinden oluşmaktadır. Yüzeysel sargıların ısıyı dağıtması, normal sargılardan daha iyi olduğundan yüksek akım yoğunluklarına izin verilebilir. Sürekli mıknatıslar, nadir toprak elementi malzemeden (NdFeB) yapılmıştır ve kalıcı mıknatıslıkları Sr=1.28T, gideren alan şiddettleri Hc=-980 kA/m dir. Mıknatıslar (-490 kA/m; 0.64 T) noktasında en büyük enerji çarpanına (316.6 kJ/m3) sahiptir. Şekil 1. Motorun magnetik akı çizgileri. XVIIMotorun magnetik alan çözümlemesi Sonlu Elemanlar Yöntemi (Finite Element Method) kullanılarak yapılmıştır. Tasarlanan motorun magnetik akı dağılımı Şekil 1 de görülmektedir. Tasarım eniyileştirilmesi üzerinde çalışılmış, (BH)max koşulu, sarım sayısı, hava aralığı uzunluğu, sırt demir kalınlığı ve ısınma gibi tasarım parametrelerinin performans üzerine etkisi değerlendirilmiştir. Sürüş düzeneği tasarımı bir“döngüde donanım”(HIL) denetim ilkesine dayandığı için, modelleme ve benzetim çalışmada çok önemli bir yer tutmaktadır. Modelleme VisSimT yazılımı ortamında gerçekleştirilmiştir. Sürekli mıknatısların demagnetizasyon özgüllükleri ve çalışma noktasının saptanması, sıcaklığın ve çeşitli yük durumlarının hesaba katılmasıyla belirlenmiştir. Doğrudan sürüş uygulamalarında motorun yüklenmesi geniş bir aralıkta olduğu için, sürekli mıknatısların yük ve sıcaklık demagnetizasyon etkilerinin motorun modellenmesinde çok önemli rolü vardır. Böylece, bütün elektriksel ve mekanik bağıntılar matematiksel modelde ifade edilmiştir. Motorun demegnetizasyon etkilerinin hesaba katıldığı tam modeli Şekil 2 de verilmiştir. râöT> - o[~ T J> BHT lYOkKnwejrfV ins enlim) -wn> ^ 0 12 3 4 Time (sec) -i ' ? 0 12 3 4 Time (sec) îİ3İ>EH>b> _J I L_ 0 12 3 Time (sec) Şekil 2. Tasarlanan motorun modeli. Doğrusal motorun denetimi HIL tekniği ile başarılmıştır. Bu teknikte, motorun konum ve akım bilgileri toplanmış ve giriş/çıkış arabirimleri aracılığıyla VisSimT modeline girilmiştir. Motorun VisSimT modeli, istenen çalışma değerlerinin belirlenmesini ve sayısal işaret işleme (DSP) kartına doğrudan komutların verilmesini sağlamaktadır. DSP kartı, güç eletroniği elemanlarının ateşleme açılarını belirleyip, istenen biçimde sürülmelerini sağlayarak denetim işlemlerini yürütmektedir. Motorun ürettiği öteleme kuvveti, giriş gücü ve diğer gerekli çalışma değerleri deneysel olarak ölçülmüş ve benzetim sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Şekil 3 de görüldüğü gibi, deneysel ve kuramsal sonuçlar arasında yüksek düzeyde tutarlılık vardır. XVIII15 10 5 3 I I I I I I I I 1 SO I I I I I I I I Q/K !!!!!!! ^> ! I., r 1, 1 ! -r^- -1 1 III!' 5^1 I I I i i i i °Jr i i i i i J/o 111!!!! i O ' ' ' ' i ' ' ' 3 4 5 6 Endüvi Akımı (A) 8 9 10 Şekil 3. Kuvvet giriş akımı değişiminin kuramsal ve deneysel değerleri, (-) kuramsal, (o) deneysel. XIX
Özet (Çeviri)
DESIGN OF PERMANENT MAGNET LINEAR BRUSHLESS DIRECT CURRENT MOTOR WITH PRINTED CIRCUIT ARMATURE SUMMARY This study deals with the design, analysis and experiments of a permanent- magnet linear brushless d.c. machine with printed circuit armature. Since armature has no magnetic core, this motor is also called as coreless motor. The permanent magnet coreless linear brushless d.c. machines find various applications as a direct drive motor in robotics and mechatronics. In such applications, a very smooth motion with comparatively large linear force is often required. Therefore, cogging and reluctance forces should be eliminated. Coreless motors with rare earth permanent magnets give excellent performances in that way. The weak points of coreless designs, such as having higher leakage flux values, can be compansated by using permanent magnets with high energy products and by designing appropriate electromagnetic configurations. The designed motor has double sided permanent magnet field circuit and an armature between these magnets. This motor is also called axial flux or sandwich type of linear machine. In order to obtain field distribution, field solutions are evaluated. The effect of parameters of permanent magnet, gap length, armature magnetomotor force (m.m.f.) and temperature are taken into account. The motor has three different magnetic layers; armature windings, permanent magnets and back irons. Armature windings are made from printed circuit boards which have 7 coils with 15 turns. The heat dissipation of planar winding is better than that of conventional windings, therefore it allows higher current densities. The magnets are made from rare earth material (NdFeB) and have 6r=1.28T (remenance) and Hc=-980kA/m (coercivity) at the room temperature. The magnets have the maximum energy product value of 313.6kJ/m3 at the point of (-490kA/m ; 0.64T). Figure 1. The magnetic flux lines of motor. xxThe magnetic field analysis of the motor has been solved by using the Finite Element Method (FEM). The field distribution of the designed motor is shown in Figure 1. The design optimization is studied, the (BH)max condition and the effect of design parameters on performance, such as number of turns, the gap length, back iron width and temperature rise are evaluated. Since this system is considered as an HIL (hardware-in-the-loop) control application, the modelling and simulation have a very important impact on this study. The modelling is achieved in VisSimT environment. The demagnetization characteristic of the permanent magnets and the definition of operation point is obtained by taking temperature rise and various loading conditions into account. In direct drive applications, wide range of loading is required, so the loading and temperature demagnetization effects of the NdFeB magnets have crucial importance in modelling of the motor. All governing electrical and mechanical equations are represented in the mathematical model. The complete model of the motor taking demagnetization effects into account is shown in Figure 2. 0 12 3 Time (sec) 40- 20 - 0 12 3 4 Time (sec) u^B>^>s> 0 12 3 4 Time (sec) Figure 2. The model of the designed motor. The control of linear motor is achieved by the HIL technique. In this technique the position, current information are collected from motor and supplied to the VisSimT model through I/O and A/D interfaces. VisSimT model of the actuator enables to calculate the desired performance values and parameters and gives direct orders to DSP board. This board executes the control strategy, calculates the firing instances and drives each inverter in required manner. The thrust force, input power and other relevant performance values are measured and compared with those of simulations. It is seen that, there is a good agreement between experimental and theoretical values (Figure 3.). XXI15 10 ı ı ı ı ı ı ı ı \s o ' i i i i i i i^i ' I 1- + + I 1 1 7^- -i 1. I I I I I 0/\ I I I ! ! ! ! *is ! I ! I i v/& i i i i i i i i O i i i i i i « i 0 1 2 3 4 5 6 7 Armature Current (A) 8 9 10 Figure 3. Theoretical and experimental results of the produced force versus current, (-) theoretical, (o) experimental. XXII
Benzer Tezler
- An investigation on energy harvesting from wrist for smart electronic devices
Akıllı elektronik cihazlar için bilekten enerji toplaması üzerine bir araştırma
AHMED AFZAAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAntalya Bilim ÜniversitesiElektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA İLKER BEYAZ
- Recycling of In2O3 from waste LCD panels & process design
Atık LCD panellerinden In2O3 geri dönüşümü ve prosestasarımı
DOĞAÇ TARI
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
- Multi - capsule endoscopy: Demonstrations of inter - capsular control and (tactile) sensing
Çoklu - kapsül endoskopi: Kapsüller arası kontrol ve (dokunsal) algılama yöntemleri
FURKAN PEKER
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ONUR FERHANOĞLU
- Sürekli mıknatıslı senkron, anahtarlı relüktans ve sürekli mıknatıslı fırçasız doğru akım makinalarının karşılaştırılması
Başlık çevirisi yok
MURAT ÜSTÜNALAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FERİHA ERFAN
- Sürekli mıknatıslı senkron motor tasarımı ve analizi
Başlık çevirisi yok
KAZIM YAMAN
Doktora
Türkçe
1999
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NURETTİN ABUT