Design And Implementation Of A Double-sided Coreless Linear Motor

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015Lineer motor teknolojisi 1840’lara dayanmaktadır. Bilinen ilk model bir İngiliz mühendis olan Charles Wheatstone tarafından yapılmıştır, ancak bu model çok kullanışlı ve uygulanabilir olarak hatırlanmamaktadır. Elverişli ilk model, bir Alman mühendis olan Alfred Zehden tarafından 1905’te tasarlanmıştır. Bu model trenlerde ve asansörlerde kullanılmıştır. Uygulamalar daha da geliştirilerek en ileri şekliyle 1935’te Herman Kemper tarafından tasarlanmıştır. Yine de herşeye rağmen lineer motorun gelişimine en çok katkıda bulunan ve mucidi olarak tanınan kişi aynı zamanda Imperial College London profösörlerinden biri olan Eric Laithwaite’dir. Günümüzde elektrik motorlarından beklentiler oldukça fazladır. Bunlardan bazıları hafiflik, kontrol edilebilirlik, doğrudan tahrik, yüksek kuvvet/moment ağırlık oranı ve düşük bakım maliyeti olarak sıralanabilir. Bu saydığımız beklentiler, lineer motorlara olan ilgiyi son zamanlarda fazlasyla arttırmıştır. Lineer motorlar üzerine yapılan çalışmalar asenkron lineer motorlarla başlamış olsa da, lineer fırçasız doğru akım makinaları kontrol edilebilirliklerin çok daha kolay olması nedeniyle asenkron motorlarlara olan bu ilgiyi ikinci plana atmayı başarmıştır. Lineer motorlar en basit yapılarıyla, dönel bir motorun yarıçapı boyunca kesilip lineer hale getirilmiş durumu olarak tanımlanabilir. Lineer motorda momentden söz edilmez ve bu büyüklük yerini kuvvete bırakır. Lineer motorlar uzunlukları boyunca kuvvet üretirler. Kısa zamanda yüksek kuvvet değerlerine çıkabilmektedirler. Aktarma elemanlarının olmaması ve yapıları gereği bunlara ihtiyaç dahi olmaması döner hareketi lineer harekete çevirirken kaybedilen enerjiyi ortadan kaldırmaktadır. Dolayısıyla motor sürücüleri için daha hassas kontrol sağlamaktadır. Sanayide çeşitli alanlarda kullanılabilirler. Başlıca uygulama alanmaları, CNC tezgahları, robotik ve otomasyon uygulamaları, füze konumlama sistemleri, gen dizimi, konveyör sistemleri, vinç sistemleri ve manyetik levitasyon olarak sıralanabilir. Lineer motor üzerine yapılan çalışmala çoğunlukla Almanya ve Japonya’da yer almaktadır. Lineer motorların bugünkü en ileri teknolojisi, Japonya‘da bir manyetik levitasyon uygulaması olan Maglev trenlerinde kullanılmaktadır. Bu tren son zamanlarda ulaştığı 600km/sa hız değeriyle dünya rekorunu kırmıştır. Geçmiş uygulamalara bakıldığında, 10 yıl öncesinde bile lineer motorlar yük altında doğrusal olarak sadece 5m/sn gibi bir hızla hareket edebiliyorlardı. Bu düşünüldüğünde Japonya’daki uygulamalar lineer motor teknolojisinde devrim yaratmıştır denilebilir. Böylece pek kullanılmamakta olan lineer motor teknolojisi yeniden dünyanın ilgisini çekmeye başlamıştır. Lineer motorlar artık günümüzde basit yapıları ve düşük maliyetleri nedeniyle endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak güç faktörü ve veriminin çok yüksek olmaması bir dez avantaj olarak karşımıza çıkmaktadır. Günümüzde lineer motor teknolojisinden beklentiler eskiye göre çok daha ileri düzeydedir. Lineer motor uygulamalarından en dikkat çekenleri gen dizimi, tıp elektroniği ve roket konumlandırma olarak listenebilir. Bu nedenle özellikle hassas konumlandırma, lineer motor teknolojisinde her geçen gün çok daha fazla önem kazanmaktadır. Hassas konumlandırma özellikle belli durumlarda fazlasıyla dikkat edilmesi gereken bir husustur. Özellikle çok yüksek ve çok düşük hız durumu, hızlı ivmelenme ve hızlı yatışma süresi söz konusu olduğunda ön plana çıkar ve verimliliği arttır. Bu durum düzgün hareket ve aşırı hassas ayar gerektiren mekanik ve konumlama elemanlarının başlıca araştırma konusudur. Tüm bu araştırmalar esasında motorun değişken yüke ve uygulanan kontrol sinyaline çabuk cevap verebilmesini amaçlamaktadır. Lineer motorun çalışma ilkesi Lorentz ve Faraday yasasına dayanır. Lorentz kuvvet yasası içinden akım geçirilen bir iletkenin, akıma dik olarak endüklenmiş bir manyetik alana yerleştirilmesi sonucunda bu iletkene bir kuvvet etkiyeceği ve bu kuvvetin iletkeni hareket ettirmeye çalışacağını söylemektedir. Bunun yanında bu kuvvetin iletkendeki sarım sayısı, sargı akımı ve üretilen akı ile doğru orantılı olduğu bilinmektedir. Faraday yasası ise manyetik alan içerisinde bulunan bir iletken, bu alan içerisinde belirli bir hızla haraket ettirilirse bu iletken üzerinde bir gerilim endüklendiğini söyler. Bu fikirlerden yola çıkılarak var, tez çalışmasında yeni bir lineer motor tasarlanıp üretilmiştir. Çalışmanın amacı çift yanlı, hava çekirdekli yüksek konum hassasiyetine sahip lineer bir motor tasarlamaktır. Uygulama alanları robotik ve otomasyon uygulamaları olarak belirlenmiş ve motor jenerik olarak tasarlanmıştır. Motorun yapısı gereği tasarım amacına ulaşmaktadır. Hava çekirdekli yapı düzgün harekete olanak vermektedir. Bunun nedeni hareketli parça üzerinde fazladan manyetik yük bulunmaması ve bu yükün stator sırt demiri ile manyetik etkileşime girememesidir. Bu durum daha hassas kontrol olanağı sağlar. Çift yanlı yapı motorun çok yüksek ve çok düşük hızlarda çalışmasını ve daha hızlı ivmelenmesini sağlar. Bu durum ise tamamen çift yanlı yapının daha homojen bir alan dağılımı oluşturmasından kaynaklanır. Tasarlanan motorun problemi ısı ve kapladığı alan olarak belirlenmiştir. Motorun önemli üç ana bölümü bulunmaktadır, bunlar; mıknatıslar, sargılar ve stator sırt demiri olarak listelenmiştir. Lineer motorda 22 kutup çifti ve 6 sargı bulunmaktadır. Tasarım ANSYS-Maxwell programında gerçekleştirilmiş, yapılan çalışmalardan sonra sonuçlar tasarıma gönderilmiştir. Çalışmanın amacı çift taraflı hava çekirdekli ve yüksek konum hassasiyetine sahip bir lineer motor tasarlamaktır. Malzeme seçimi ANSYS-Maxwell kütüphanesinden gerçekte var olan malzemelere uygun olacak biçimde yapılmıştır. Malzemeler bakır, Steel_1010 ve NdFe35 olarak seçilmiştir. Samaryum kobalt gibi NdFeB mıknatısı da nadir toprak mıknatısları arasında yer almaktadır. Bu mıknatıslar genel olarak demir, bor ve neodyum alaşımından oluşur ve kimyasal formülü Nd2Fe14B olarak yazılır. Bu tip mıknatısların koersif kuvvetleri yüksek olup tıpkı ferrit mıknatıslar gibi enine mıknatıslanmaya uygundurlar. Sargılar alüminyum yerine bakır olarak seçilmiştir. Bakırın en iyi iletken olması bu kararda önemli rol oynamıştır. Tez çalışması yüksek hassasiyette bir lineer motor tasarlamak olup, bu uygulamanın endüstride bir çok alanda kullanılmasından dolayı iç parçalar ve bağlantı parçalarının jenerik olarak üretilmesine karar verilmiştir. Toplam motor ağırlığı 10.5 kg’dır. Hafif olması nedeniyle birçok yerde kullanılabilir ve taşıma kolaylığı sayesinde istenilen yere monte edilebilir. Elektriksel tasarımı motorun manyetik analizleri ve kontrol devresinin tasarlanması oluşturmaktadır. Bu tez çalışmasında sadece motorun elektrik, manyetik tasarımı ve üretimi anlatılmaktadır. Öncelikle motorun mekanik hesapları yapılmış ve bu hesplara dayanılarak motorun üç boyutlu çizimi gerçekleştirilmiştir. Üç boyutlu çizimden sonra analitik ve sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak iki boyutlu elektromanyetik hesaplarla motor tasarıma hazırlanmıştır. Bunu takiben motor üretimi gerçekleştirilmiş ve motor testlerine başlanmıştır. Motor tesleri ile sonlu elemanlar analizi arasında büyük tutarlılık görülmüştür. Tezin sonunda sonuçlar ve gelecekteki çalışmalar bölümüne yer verilmiş ve bu konudaki düşünceler belirtilmiştir. Sonlu elemanlar yöntemiyle motor tasarlandıktan sonra ilk olarak kuvvet hesabı el hesabı ile tekrar kontrol edilmiş ve analiz sonucu doğrulanmıştır. Ortaya çıkan ufak fark nümerik olup hata sınırları içerisinde kalmıştır. Sürücü devresi bir PWM devresi olup Maxwell Circuit Editor programında tasarlanmıştır. Motor tasarımını etkileyen faktörler giriş gerilimi, çıkış gücü ve anma hızı olarak bulunmuştur. Gerekli güç için en iyi tasarımı elde etmek doğru malzeme seçimi ve sargı optimizasyonu ile olmaktadır. Elektrik makinaları elektromekanik enerji dönüşümü yapan aygıtlardır. Elektrik enerjisi verilip mekanik enerji alınıyorsa buna motor çalışma, mekanik enerji verilip elektrik enerjisi alınıyorsa da buna jeneratör çalışma denmektedir. Elektrik makinaları iki ana başlık altında incelenebilir. Bunlar doğru akım ve alternatif akım makinaları olarak adlandırılabilir. Alternatif akım makinelerinin çalışma prensibi alternatif akımın sargılardan geçmesi ve hava aralığında döner alan oluşturması prensibine dayanır. Alternatif akım makinalarının alt dallarına bakılacak olursa senkron ve asenkron makinaları karşımıza çıkar. Senkron makinalar altında ise fırçasız doğru akım makinası bulunur. Doğru akım makinalarında ise manyetik alan doğrudan oluşur. Doğru akım makinaları komutasyon ve homopolar olarak iki ana gruba ayrılır. Komutasyon ile çalışan motorlardan biri de sabit mıknatıslı makinadır.Yani sabit mıknatıslı makinalar doğru veya alternatif akımla çalışabilir. Sabit mıknatıslı doğru akım makinaları adında doğru akım bulundursa da aslında alternatif akım makinaları altında yer almaktadırlar. Tasarlanan lineer motor fırçasız doğru akım makinası özelliklerini taşımaktadır. Endüklenen gerilimi ise sabit mıknatıslı senkron makinaya benzer. Bunun yanında lineer motorların tasarımlarına ilişkin özel sınıflandırmaları da bulunmaktadır. Örneğin, fırça tipine göre fırçalı ya da fırçasız lineer motorlar; stator şekline göre tüp şeklinde, çift yanlı ya da yassı lineer motorlar; çekirdek tipine göre ise demir çekirdekli, hava çekirdekli ve slotsu lineer motorlar olarak sıralanabilir. Tasarlanan lineer motor her grubun bir özelliğine sahip olmak üzere fırçasız, çift yanlı ve hava çekirdekli olarak bu listede yerini alır. Tasarlanan lineer motor sargıları üzerinde önemli optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Sonuçta üretilen motordaki tasarımda 4 mıknatısın karşısında 3 sargı olacak şekilde bir düzenleme yapılmış ve bunun diğer çalışmalarla kıyaslandığında en yüksek kuvvet değerini oluşturduğu görülmüştür. Motor tasarımının her aşaması sırasında bir bilgisayar programından yararlanılmıştır. Analizler sonlu elemanlar yöntemiyle yapılmıştır ve sargılar bu yöntemle yapılan analizler sonucunda optimize edilmiştir. Yapılan tetkiklerden sonra, motor üretimi ve montajı gerçekleştirilmiştir.The history of linear motor technology can be traced back to the 1840s. The first model made by Charles Wheatstone was inefficient and impractical. The first feasible linear motor was created by a German engineer called Alfred Zehden in 1905 to drive trains and lifts. A more fundamental model was later developed by Herman Kemper in 1935. The best example of usage of linear motors today are in Maglev trains in Japan. Less than a decade ago, linear motors were only able to move 5 meters per second with straightness, load capacity and stiffness. This is a positive sign that linear motor technology is growing rapidly and is the focus of a great amount of research and development. Linear motors are widely used in the industry as they have a simple structure and their cost to produce is becoming much lower. However, linear motors have low power factor and low efficiency. Modern linear motor applications demand greater performance. The key demands of a linear motor are high acceleration, long life, low maintanence, few moving parts and precise positioning. Some of the applications include, DNA sequencing, health operations, rocket positioning etc. Therefore, precision of linear motors is becoming significantly more important. From ideas above, the study involves to produce a brand new linear motor. It has 22 pole pairs and 6 coils, designed in a FEM tool (ANSYS-Maxwell 2015®) and has since been into production. This purpose of the thesis is to demonstrate and explain the design of a high precision double-sided coreless linear motor. Materials simiar to the existing ones are chosen from ANSYS-Maxwell library. The materials are consisting of copper, NdFe35 and Steel_1010. Like Samarium Cobalt, NdFeB (Nd2Fe14B) is termed as rare earth magnet. These magnets have high coercive force and can be magnetized widthwise like a ferrite magnet. Copper windings are typically chosen over aluminum windings, even though aluminum is cheaper, copper is a better conductive material. As the application is having high precision that is applicable to many industrial areas that are listed above, it is a lot easier to design and produce the linear motor as a generic motor. The total motor weighs approximately 10.5 kg. This will be the perfect motor that can be mobile and be implemented anywhere needed. First, the electromagnetic design of the motor is performed. After the FE analysis is done using ANSYS-Maxwell software, the force value is verified by a hand calculation. The results between the two calculations are slightly different due to moving field that needs to be taken into account. Secondly, mechanical data set is examined for the motor design. Then, the CAD drawing of the motor is given followed by analytical verification of the design and electromagnetic analysis. The production and the tests of the electric motor that is designed is explained and finally the conclusion and future investigations are discussed. The drive circuit is a PWM circuit designed in ANSYS Maxwell Circuit Editor. The features that effect motor design are input voltage, output force and rated speed. To maintain the best electric design for the required force, choosing the proper materials and optimizing the coils are essential. An electrical machine is an electromechanical device that converts energy. When one investigates, when the input is electrical energy and the output is mechanical energy it works as an electrical motor. However, if the input is mechanical energy and the output is electrical energy electrical machine works as an electrical generator. Electrical machines can be divided into two different types which are listed as Alternative Current (AC) and Direct Current (DC) electrical machines. In an AC machine, alternative current flows into the coil and creates a rotating magnetic field in the airgap. In DC machines magnetic field is created straightly. Permanent magnet brushless DC motors are named DC but thinking of their working principle they can be considered in AC machine types. The designed linear motor can be thought like a BLDC machine. For the linear motor a special design is produced and laboratory tests are made. According to this special design, three coils would face four magnets. The design of the motor is made by computer aided software. After designing the linear motor, electromagnetic FEM analyses are made. The coils are optimized after making several analyses by using the finite element software. When the verification of the design is obtained, production is made as well as motor assembly. There are three hall sensors exist on the original motor. The hall sensors that are currently exist on the motor are ignored for the FEM design. An approximation is made for the FEM design for these hall sensors. In the thesis, hall sensors will not be discussed under the chapter of electromagnetic simulation.Yüksek LisansM.Sc

Cogging torque reduction in brushless motors by a nonlinear control technique

This work addresses the problem of mitigating the effects of the cogging torque in permanent magnet synchronous motors, particularly brushless motors, which is a main issue in precision electric drive applications. In this work, a method for mitigating the effects of the cogging torque is proposed, based on the use of a nonlinear automatic control technique known as feedback linearization that is ideal for underactuated dynamic systems. The aim of this work is to present an alternative to classic solutions based on the physical modification of the electrical machine to try to suppress the natural interaction between the permanent magnets and the teeth of the stator slots. Such modifications of electric machines are often expensive because they require customized procedures, while the proposed method does not require any modification of the electric drive. With respect to other algorithmic-based solutions for cogging torque reduction, the proposed control technique is scalable to different motor parameters, deterministic, and robust, and hence easy to use and verify for safety-critical applications. As an application case example, the work reports the reduction of the oscillations for the angular position control of a permanent magnet synchronous motor vs. classic PI (proportional-integrative) cascaded control. Moreover, the proposed algorithm is suitable to be implemented in low-cost embedded control units

Analysis and minimization of detent end force in linear permanent magnet synchronous machines

© 1982-2012 IEEE. In this paper, the end forces caused by the longitude end effects in linear permanent magnet synchronous machines (LPMSMs) are analyzed and minimized. First, the left/right-end forces are calculated based on an analytical model and the Maxwell stress tensor, in which the optimal integration surfaces are investigated. Then, based on the spectrum analysis of the left/right-end forces, two different methods are adopted to minimize the fundamental and high-order harmonics, respectively. The optimal length of the primary iron is obtained from the phase difference of the fundamental and a two-step iteration instead of the trial-and-error with the finite element method. Furthermore, step-skewed auxiliary irons are added to the primary end to eliminate the high-order harmonics. Third, to reduce the secondary end effect when the primary moves to the secondary end, a compensation method of adding mirror permanent magnet is proposed and good results are obtained. Finally, an LPMSM prototype is manufactured and experiments are conducted. The experimental results verify the theoretical study

Magnetic Field and Force Calculation in Linear Permanent-Magnet Synchronous Machines Accounting for Longitudinal End Effect

© 1982-2012 IEEE. This paper presents an improved analytical method for predicting the magnetic field and forces in linear permanent-magnet synchronous machines (LPMSMs) accounting for both the primary end effect and secondary end effect. So far, the magnetic field calculation of LPMSM in most studies is conducted in Cartesian coordinate, whereas the end effect is neglected by applying periodic boundary. In this paper, to implement the analytical model, a polar presentation of the machine geometry is proposed and the subdomain method is applied to calculate the magnetic field. Then, according to the developed model, the tangential thrust and normal forces are calculated based on the Maxwell stress theory. Numerical results are subsequently obtained by finite-element method and employed to validate the analytical model. Finally, an LPMSM prototype is manufactured and experiments are conducted. The results show that the developed analytical model has high accuracy for predicting the magnetic field and forces

International Symposium on Magnetic Suspension Technology, Part 1

The goal of the symposium was to examine the state of technology of all areas of magnetic suspension and to review related recent developments in sensors and controls approaches, superconducting magnet technology, and design/implementation practices. The symposium included 17 technical sessions in which 55 papers were presented. The technical session covered the areas of bearings, sensors and controls, microgravity and vibration isolation, superconductivity, manufacturing applications, wind tunnel magnetic suspension systems, magnetically levitated trains (MAGLEV), space applications, and large gap magnetic suspension systems

Vibration mode analysis of multi-degree-of-freedom permanent magnet synchronous motor

Multi-degree-of-freedom motors have attracted more and more attentions, and the liquid suspension multi-degree-of-freedom PM motor is regarded as one of the research hotspots of new kind of electrical machine. In order to further optimize the structure of liquid suspension permanent magnet synchronous multi-degree-of-freedom motor and improve the stability of the operation, the mode force analysis of the motor's component is carried out. The characteristics and basic structure of the motor are introduced, and the principle and rules of the motor resonance are expounded in detail. Based on the theory of mechanics, the mode of the motor spherical shell is studied and calculated. By finite element analysis, the modal changes of stator shell under static and energized conditions are calculated and the comparison is made. Then, the 2nd order modal deformation of the spherical shell is monitored by hammering and sensor with the measured data obtained and compared with the finite element simulation. The solid mechanical structure of the claw stator core is analyzed so that the stress distribution and deformation displacement distribution are obtained. The results of the simulation and analysis provide the reference for the optimal design of this kind of motors or actuators

Design and Application of Electrical Machines

Electrical machines are one of the most important components of the industrial world. They are at the heart of the new industrial revolution, brought forth by the development of electromobility and renewable energy systems. Electric motors must meet the most stringent requirements of reliability, availability, and high efficiency in order, among other things, to match the useful lifetime of power electronics in complex system applications and compete in the market under ever-increasing pressure to deliver the highest performance criteria. Today, thanks to the application of highly efficient numerical algorithms running on high-performance computers, it is possible to design electric machines and very complex drive systems faster and at a lower cost. At the same time, progress in the field of material science and technology enables the development of increasingly complex motor designs and topologies. The purpose of this Special Issue is to contribute to this development of electric machines. The publication of this collection of scientific articles, dedicated to the topic of electric machine design and application, contributes to the dissemination of the above information among professionals dealing with electrical machines

Development of Double-Sided Interior Permanent Magnet Flat Linear Brushless Motor and Its Control Using Linear Optical Potentiometer

A new 6/4 double-sided interior permanent-magnet (IPM) flat linear brushless motor (IPM-FLBM) and novel optical potentiometer mechanism for a linear motion-control system are presented in this dissertation. For this purpose, new detent-force-minimization methodologies for the IPMFLBM are studied on the basis of the superposition principle. The end-effect force is reduced by a new two-dimensional optimization using the step-shaped end frames. The cogging force is minimized through a destructive interference using the slot-phase shift between the upper and lower stators. A base model prototype with the detent force of only 1.5% of the maximum thrust force is developed using the electrical solid steel. Analytic modeling techniques of the base model prototype with slot-phase shift and alternate teeth windings are investigated. A variable winding function is newly developed to evaluate the inductances of the salient motor with the alternate teeth windings. The steady-state thrust force is modeled for this linear brushless AC (BLAC) motor. Their validities are demonstrated experimentally. The electromagnetic and steady-state performance analyses of a new prototype using a soft magnetic composite (SMC) material are also studied using a simplified nonlinear magnetic equivalent circuit (MEC) analysis. Its iron and copper losses are investigated in terms of the thermal limitation. The feasibility of the IPM-FLBM using the SMC material is demonstrated through the comparisons of the average steady-state thrust and ripple forces for these two prototype linear motors. A novel low-cost high-precision absolute displacement-sensing mechanism using optoelectronic components is developed. The working principle that is based on the change of the optical power that is reflected off the monotone-colored pattern track from a light emitting diode (LED) to a red-green-blue (RGB) photo diode (PD) is presented. The performance of the proposed optical potentiometer (OP) mechanism is verified by the bandwidth (BW) of 4.42 kHz and nonlinearity of 2.8% are achieved. A novel low-ripple 12-step current control scheme using a single current sensing resistor is developed using the six Hall-effect sensors for the force control of the IPMFLBM. Its performances are experimentally verified and compared with a conventional field-oriented control (FOC) scheme. In the end, the position-control loop, which includes the 12-step current control loop, double-sided IPM-FLBM, and linear optical potentiometer (LOP), is designed using a proportional controller with a lead compensator. The performances of the linear motion-control system are demonstrated through the various experiments in the time and frequency domains