Lineer motorlar ilk olarak İngiliz elektrik mühendisi Profesör Eric Laithwaite tarafından keşfedilmiştir. İngiltere’nin tekstil üretimi merkezi olan Lancashire’da yetişmiş olan Laithwaite lineer motor kullanarak bir dokuma tezgahının mekiğine doğrusal hareket verdirmeyi başarmıştır. Profesör Laithwaite buluşunu “açılmış sıradan bir elektrik motorundan farkı yok” sözleriyle açıklamıştır. Temelinde ise üzerinde yaratılan manyetik alanlar ile sürtünme ile yavaşlamayan duran ve hareket eden bir cisim bulunmaktadır. Bu durum uzun zamandır anlaşılır olmasına rağmen ilk pratik uygulamayı yani direk lineer sürüşü hem mekanizmada hemde transportta gerçekleştirerek ticari gelişimine öncülük eden Laithwaite olmuştur.
Bir lineer motor bilinen bir döner servo motoru alıp açarak elde edilir. Lineer motorlarda rotor “forcer” ve stator da, mıknatıslardan oluşan ray olur. Bu tasarımda yük direk olarak motora bağlıdır. Lineer hareket herhangi bir doğrusal hareketi lineer harekete çeviren mekanizma kullanılmadan sağlanmaktadır. Lineer motor teknolojisi step motor ve fırçalı lineer motorlar olarak uzun zamandır kullanılmaktadır. Fırçasız teknoloji ise giderek yaygınlaşmaktadır.
Lineer Motorun Çalışma Prensibi
Forcer ve Mıknatıslı Ray
Forcer tel bobinlerden oluşur ve bir epoksi içine yerleştirilmiştir ve ray ise çelikten imal edilmiştir ve üzerine nadir bulunan sabit mıknatıslar yerleştirilmiştir. Motorun forcer elemanı sargılardan, hall effect paneli, direnç ve elektrik bağlantılardan oluşur. Döner motorlada rotor ve stator arasında rotoru desteklemek ve aralarındaki hava boşluğunu sabit tutmak için yataklama yapmak gerekir. Aynı şekilde lineer motorlardada lineer klavuz yatakları forcerı mıknatıslı raydaki manyetik alan içinde tutmak için gereklidir. Aynı amanda döner motorlarda şaftın konumunu geri besleme yapan enkoderlar bulunur. Lineer motorlarda da piyasadaki çok farklı tipte lineer enkoderlardan biri kullanılabilir. Döner motorlardan farklı olarak lineer motorlarda konum direk yükten ölçüldüğünden bu konum ölçümünün doğruluğunu arttırır.
Lineer Motor Montaj Resmi
Lineer motorların kontrolüde döner motorlarınkine benzerdir. Fırçasız döner motorda olduğu gibi daha yaygın kullanılan fırçasız lineer motorlarda da rayla forcer arasında fırça gibi bir temas yoktur. Döner motorlardaki rotorun dönme ve statorun sabit kalma durumundan farklı olarak lineer motorlarda hem forcer hemde mıknatıslı ray hareket edebilir. Bir çok uygulamada özellikle konumlandırma sistemlerinde hareketli forcer ve sabit ray kullanılır. Fakat lineer motorlar istenirse sabit forcer ve hareketli ray olarakta kullanılabilir. Hareketli forcer durumunda forcerın ağırlığı yükün ağırlığının yanında çok küçüktür. Fakat kabloların forcerı takip etmesi gerektiğinden son derece esnek olmaları gerekir. Hareketli ray durumunda motorun hem yükü hemde mıknatıslı rayı hareket ettirmesi gerekmektedir. Buna karşılık kabloların yerleştirilmesi konusunda bir problem yoktur.
Benzer elektromekanik prensipler döner motorda olduğu gibi lineer motorlarada uygulanabilir. Döner motorda torku yaratan elektromanyetik kuvvet lineer motordada lineer kuvveti yaratmaktadır. Bu nedenle lineer motor döner motorla aynı kontrolleri ve programlanabilir konumlamayı kullanır. Döner motorda tork Nm olarak ölçülürken lineer motordada kuvvet N olarak ölçülür. Hız ise döner motorda dev/dk olarak ölçülürken lineer motorda m/s olarak ölçülür. İş zamanlarıda her iki motor tipi aynı şekilde ölçülür. Çeşitli motor tiplerine bakacak olursak lineer motorlar elektrik enerjisini direk olarak mekanik kuvvete çevirir ve direk olarak yüke aktarılır. Bir mekanizmaya gerek yoktur ve yüksek doğruluk ve sınırsız yol mümkündür. Günümüzde lineer motorlar tipik olarak 5 m/sn lik hızlara ve 5g lik ivmelenmelere ulaşabilirler. Teorik olarak motorlar 20g lik ivmelere ve 40 m/sn lik hızların üstüne çıkabilirler fakat yataklama ve gerekli hareket parametreleri bu performansı biraz düşürmektedir. Aşınma yoktur, yağlama gerektirmez ve bu nedenle çok düşük bakım maliyetleri vardır veya hiç yoktur. Son olarak geniş sistem bant genişliği ve rijitliği vardır dolayısıyla daha iyi konum tekrarlanabilirliği ve doğruluğu ile yüksek hızlar mümkündür.
Lineer Motorların Kullanımı
Lineer motorlar genellikle yatay düzlemde kullanılır. Bunun ana amacı ağırlık kuvvetinin harekete etkisini azaltmaktır. Her ne kadar lineer motorların kuvvetleri günden güne artsa da geleneksel teknolojinin kullanıldığı lineer hareket sistemlerine kıyasla hala geri kalmaktadır. Dikey düzlemde pek sık kullanılmamasının bir diğer sebebi de aniden gücün kesilmesi durumunda forcerın yere çarpma tehlikesi de vardır. Gerçi gücün aniden kesilmesi yatay düzlemde çalışan lineer motorlar için de eş derecede tehlike yaratır. Lineer motorlar 1–10 G arasında değişen ivmelere ve 5 m/s hıza ulaşabilmektedir. Benzer şekilde gücün aniden kesilmesi lineer motorun çarpma ile zarar görmesine sebep olabilir. Bunun için motorların iki ucuna bu ihtimal de düşünülerek kauçuk yastıklar konur. Ayrıca dikey düzlemde çalışılacağı zaman forcer bir karşı ağırlıkla desteklenir.
Lineer motorların yataklanması da dikkat isteyen bir çalışmadır. Lineer yataklarla lineer motor paralel olarak konumlandırılmalıdır. Her iki uçta da paralellikten katalogda belirtilen limitlerden daha fazla kaçıklık olmamalıdır ki bu limitler oldukça dardır. Ayrıca aradaki hava boşluğu da tavsiye edilen aralıkta olacak şekilde ayarlanmalıdır yataklama yapılırken. Hafif yükler için yataklama yapılmaya gerek olmayabilir. Ancak yük arttıkça lineer motorun hem emniyetle kullanılabilmesi hem de forcer ile stator arasındaki boşluğu istenen değerde sabit tutmak için kullanılabilir.
Lineer motorların geleneksel lineer hareket mekanizmalarına göre bir büyük avantajı da limitlerinin olmamasıdır. Raylar uç uca eklenerek istenilen uzunlukta bir strok elde edilebilir. Bunun yanında lineer motorlarda bir stator ray üzerinde birden fazla forcer kullanılabilir. Bunlar ayrı sürücülerle sürülebilmektedir.
Lineer motorlarda çoğunlukla ray olarak kullanılan kısım; doğal mıknatısların bulunduğu statordur. Forcer ise hareketli kısım olup genellikle statora göreceli olarak daha kısadır. Uzun stroklu uygulamalarda statorun sabit olması büyük bir avantajdır. Zira hareketli kısım olan forcerın ağırlığı daha düşüktür. Ancak forcerın kablo bağlantılarının harekete uygun şekilde bir kablo koruyucusu ile korunması gerekir. Kısa stroklu uygulamalarda ise genellikle tam tersi yapılmaktadır. Hareketli parça statordur. Sarımların olduğu forcer ise yerde sabittir. Bu şekilde kullanıldığında hareket eden kablolar da bir sorun yaratmamaktadır.
Lineer motorlar genellikle yapılabilen geri beslemenin çözünürlüğünde çalışırlar. Çeşitli geri besleme yöntemleri vardır. Öncelikle her lineer motorda bir Hall Effect Sensor bulunur. Bunun yanında hareket doğrultusundaki konumunu belirlemek içinde çeşitli yöntemler kullanılır. Kısa stroklu mikron altı ya da nano altı lineer motorlarda kapasitanslı geri besleme kullanılır. Ancak bunlar sadece çok kısa stroklar için kullanılabilir. Diğerlerinde LVDT, laser inferometre, analog ve dijital encoderlar vb. kullanılır. Pek tercih edilmese de optik ölçüm yöntemleri de kullanılmaktadır. Kirli ve ıslak yüzeyler için ise manyetik encoder kullanılır.
