Özge Memiş  
Ar-Ge Mühendisi  
Aktif Mühendislik

Özet — Günümüzde lineer motor teknolojisi ulaşım, askeri alanlar, endüstriyel üretim, optik alanı ve tıp elektroniği gibi birçok uygulama alanında kullanılmaktadır. Modern asansörler, yüksek hızlı trenler, süper silahlar ve robotlar gibi teknolojilerde lineer motorlar kullanılır. Bu kadar yaygın alanda kullanılmasının sebebi, lineer motordan elde edilen doğrusal hareketin, dönel sistemlere eklenen mekanik ara parçalar yardımıyla elde edilen doğrusal harekete kıyasla çok daha hassas, hızlı ve güvenilir oluşudur. Maglev trenleri ve maglev asansörleri lineer motorların en önemli kullanım alanlarındandır. Yapılan çalışmada öncelikli olarak lineer motor sistemlerinin yapısı ve çalışması, lineer motorların sınıflandırılması, lineer motorların kullanım alanları ile kullanım alanları arasından maglev trenleri ve maglev asansörleri incelenmiştir.

I. GİRİŞ

1831 yılında, M. Faraday tarafıdan, U şeklinde bir mıknatıs üzerinde bakır bir diskin döndürülmesi sonucunda bir telde akım aktığı görülmüştür. M. Faraday tarafından keşfedilen bu yapı günümüzde yüksek hız ve doğrulukta çalışabilen lineer motorların temelini oluşturur. İlk olarak E. Laithwaite tarafından keşfedilen lineer motorlar, İngiltere’de bir tekstil merkezinde dokuma tezgahının mekiğine doğrusal hareket verdirmek amacıyla kullanılmıştır. [1-2-3-4] Günümüz şartlarında lineer motorların kullanıldığı uygulamalara olan talep artmaktadır. Bunun nedenleri arasında lineer motorların; çok yüksek ve çok düşük hızlarda çalışabilmesi, yüksek ivmelenme oranı, yüksek hassasiyet, hızlı yanıt verme, uzun ömür, düşük bakım maliyeti, daha az adette hareketli parça kullanımı, daha kesin konumlandırma sağlama ve kompakt yapısı gibi avantajlara sahip olması gösterebilir. Lineer motorlar geliştirilmeden önce tüm doğrusal hareketler döner makinalardan kremayer mekanizmaları, kayış, dişli, kasnak mekanizmaları, bilya ve klavuz vida..vb. gibi mekanizmaları aracılığıyla sağlanıyordu. Lineer motorların kullanılması ile doğrusal hareket bu mekanizmalar olmadan elde edilebilir oldu. [5-6-7-8] Lineer elektrik makinalarında kavramsal olarak tüm motor tiplerinin(indüksiyon, senkron, DC, relüktans) lineer konfigürasyonları mümkündür. Çift uyartım (alan ve armatür) gerektirdiğinden dolayı lineer DC ve lineer senkron motor donanım uygulaması karmaşıktır bundan dolayı araştırmaların çoğu lineer indüksiyon motor üzerine yoğunlaştırılmıştır. [1,7-9-10,11] Bu çalışmada lineer motorlar, lineer motorların sınıflandırılması, lineer motorların kullanım alanları ile lineer motorların manyetik kaldırma tekolojisi alanlarında kullanımına örnek olan Maglev trenleri ve Maglev asansörleri gibi konulardan bahsedilecektir.

II. LİNEER MOTORLAR

Mekanik hareketi dairesel olmayıp, x ve y yönlerinde veya x ve y düzleminde bir vektör yönünde hareket eden motorlar lineer motor olarak adlandırılır. Basit olarak ifade edilirse, lineer bir motor, açılmış bir döner motor ile aynıdır. Şekil 1’de rotor ve statorun açılması ile lineer motorun oluşma mantığı gösterilmiştir. Sonsuz yarıçapa sahip bir döner motor olarak düşünülebilir. Döner motorlarda kullanılan denklemler lineer motorlarda kullanılabilir. Birçok uygulamada, lineer motorlar klasik döner tahrik sistemlerine göre belirgin avantajlar sunmaktadır. Lineer motorlarda yük doğrudan motora bağlıdır. Mekanik transmisyon bileşenlerinin bulunmaması, düşük eylemsizlik ve düşük gürültüye sahip bir tahrik sistemini oluşturur. [3,6-7]

Lineer motorların yapıları döner hareket sağlayan motor yapılarına benzer. Farklı olarak, tahrik miline doğrusal hareket sağlayacak şekilde manyetik alan oluşturur. Ve bu sayede rotor doğrusal hareket üretir. 2 ayrı tip doğrusal motor kavramı gelişmiştir. Bunlardan ilki klasik elektrik motoru yapısına benzer yapıda olan Tubular motorudur. Tubular motorda, iki parçadan oluşan yapı, entegre yataklama sistemi ve dahili geri besleme sistemi gibi çeşitli özellikler bulunur. Rotor etrafına konumlandırılan güçlü mıknatıslar lineer motorun güçlü yapısının temelini oluşturur ve motor gücünü belirleyen önemli bir faktördür. İkincisi ise, manyetik alanları tek yüzeye temas edecek şekilde tasarlanmış olan Flat motordur. Yüksek hızlar, hassas pozisyonlama ihtiyacı ve sınırsız tork gibi avantajları vardır. Şekil 2’ de Tubular ve Flat motor yapıları gösterilmiştir.[11]

Lineer motor yapısal olarak, hareket eden ve hareketsiz iki ana parçadan oluşur. Hareketsiz olan kısım stator, hareketli parçada rotor olarak tanımlanır ve rotor statora göre çok daha küçüktür. Stator ebatları, rotorun hareket sahasını belirler. Aralarındaki hareket yatay eksendeki çekme ve itme kuvvetleri ile sağlanır. Rotor ve statora yerleştirilen kalıcı magnet malzemeler ile bu kuvvetler elde edilir. [12]

III. LİNEER MOTORLARIN SINIFLANDIRILMASI

Lineer motorları çeşitli parametrelere göre sınıflandırmak mümkündür. Aşağıdaki gibi sınıflandırmalar yapılabilir.

A. Üretilen Kuvvetin Yönüne Göre:

• 1. Teğetsel Kuvvet Ağırlıklı Motorlar
• 2. Normal Kuvvet Ağırlıklı Motorlar

Teğetsel kuvvet ağırlık motorları öteleme kuvveti yardımı ile motor çalışma sistemlerinin doğrusal hareketini sağlarlar. Normal kuvvet ağırlıklı motorlar, kaldırma hareketini sağlar. Uygulamalarda normal kuvvet ağırlıklı motorlar süspansiyon ve kuvvet kaldırma işini yapmaktadır. Hızlı tren örneklerinde normal alan kaldırma işini yaparken teğetsel alan hareketi sağlar.

B. Çalışma İlkelerine Göre:

• 1. Doğrusal Hareketli Asenkron Motor (DHAM)
• 2. Doğrusal Hareketli Senkron Motor (DHSM)
• 3. Doğrusal Hareketli DA Motoru (DHDA)
• 4. Doğrusal Hareketli Step Motoru (DHSM)
• 5. Doğrusal Hareketli Osilatör (DHOS)
• 6. Sıvı Sekonder Doğrusal Hareketli Motor
• 7. Magneto Hydrodinamik Generatör

C. Kullanış Amaçlarına Göre:

• 1. Doğrusal Hareketli Kuvvet Makinesi (DHKM)
• 2. Doğrusal Hareketli Enerji Makinesi (DHEM)
• 3. Doğrusal Hareketli Güç Makinesi (DHGM)
• 4. Elektromanyetik Kaldırma ve Asılı Tutma Makinesi
• 5. Özel Amaçlı Makineler [13]

IV. LİNEER MOTORLARIN KULLANIM ALANLARI

Lineer motorlar kullanım alanı olarak yüksek hız, hassasiyet ve yüksek ivme gerektiren alanlarda tercih edilir. Mikron altı çözünürlük, yüksek tekrarlanabilirlik ve büyük ivmeler ile kullanıldığında çevrim zamanını radikal ölçülerde düşürebilen lineer motorlar, kullanıldığı uygulamanın kalitesini artırmaktadır. Yüksek fiyatlı olmasının verdiği dezavantajı bu şekilde tolere edilebilir. Lineer motorların tıp elektroniği alanında kullanımına örnek olarak CAT-scan makinaları verilebilir. Hastanın masasını hareket ettirilmesi amacıyla kullanılır. Bunu yanı sıra optik alanında gözlük camları ve kontak lenslerin işlenme uygulamalarında istenen bükeyliğin verilmesi lineer motorlar yardımıyla yapılır. Çok değişik kullanım alanları bulunan lineer motorlar uç bir uygulama örneği olarak DNA/gen diziliminde kullanılmaktadır. Lineer motorlar 0,1-10 mikron çalışma çözünürlükleri sayesinde bu tür uygulamalarda kullanılmaya uygundur. Diğer bir kullanım alanı da MEMS (Mikro Elektromekanik Sistemler) ve Nanotenoloji uygulamalarıdır. MEMS teknolojisinde wafer (silikon devre levhası) konumlandırılması, waferların üzerlerine kalıpların konumlandırılması uygulamalarında yüksek hassasiyet ve çözünürlükleri sayesinde lineer motorlar kullanılır. Yüksek çözünürlük ve tekrarlanabilirlikte bu alanda kullanılabilecek en hızlı hareket eden araçlar lineer motorlardır. Lineer motorların diğer bir kullanım alanı da cisimlerin hassas olarak ölçülmesi ve katı modellerinin eldesinde kullanılan CMM(Coordinate Measurement Machines) makinalarının gantry sistemlerinde kullanılırlar. Ayrıca lineer motorlar elektron mikroskoplarında da kullanılırlar. Lazerli kesme makinalarında ve CNC tezgahlarında kullanılan lineer motorlar ile hassas toleranslı parçaların işlenmesi daha kolay ve hızlı şekilde yapılmaktadır. Lineer motorlar kullanılarak tasarlanmış lineer konveyör patentleri de alınmıştır. Diğer bir kullanım alanı, elektronik kartların üzerine devre elemanlarının lehimlenmesi için tasarlanmış dizgi makinalarında lineer motorlar yardımıyla, dizgi işlemi seri şekilde yapılmaktadır. Devre elemanlarının elektronik karta lehimlenmesi hassasiyet gerektiren bir uygulama olduğu için lineer motorlar tercih edilmiştir. Otomotiv fabrikalarında araçların şasilerinin taşınması ve hareketi amacıyla lineer motorlar kullanılır. Lineer motorlar askeri alanda da füze rampa sistemlerinin yönlendirilmesi uygulamalarında kullanılmaktadır. Ulaşımda kullanılan Maglev trenleri, lineer motorlar ile aynı çalışma prensibinde çalışır ve birer lineer motordur denilebilir. Farklı olarak Maglev trenlerinde doğal mıknatıs kullanımı yerine düşük sıcaklıklarda süper iletkenler kullanılır. Maglev asansörü uygulamalarında da lineer motorlar tercih edilmiştir.[1]

V. MANYETİK KALDIRMA

Manyetik kaldırma; elektromanyetik alan tarafından ferromanyetik bir maddeyi herhangi bir destek olmadan temassız havaya kaldırma ve havada askıda tutma yöntemidir. Yerçekimi etkisine karşı koyma manyetik alan ile sağlanır. Manyetik kaldırma sistemleri günümüzde pek çok mühendislik uygulamasında kullanılır. Bu uygulamalar içinde günümüzde en popüler olanları maglev trenleri ve maglev asansörleridir. [14]

VI. MAGLEV TRENLERİ

Manyetik levitasyon treni (Maglev) teknolojisi, ilk kez 1960’lı yıllarda Brookhaven ulusal laboratuvarında keşfedilmiştir. İlk ticari Maglev treni, Şanghay’da 2004 yılında hizmete açılmıştır. Alt alta konumlandırılmış iki mıknatıstan biri manyetik itme kuvveti ile diğerinin üzerinde hiçbir şeye temas etmeden havada durabilir, bu prensip Maglev trenlerinde kullanılır. Maglev trenlerinin alt kısmında çok güçlü mıknatıslar vardır. Maglev trenleri için özel üretilmiş raylarda da elektromıknatıslar vardır. Bu mıknatıslar aracılığıyla tren, ray üzerinde 1-10 cm arasında yüksekliktedir ve bu şekilde ilerler. Raylar ile temas etmediği için sürtünme önemli ölçüde azalmıştır. Trenin tasarımı da havayla olan sürtünmeyi minimize edecek şekilde yapılır. [7,15-16] Mıknatısların uyguladığı elektromanyetik kuvvetle tren raylara değmeden havada asılı kalır ve raydan çıkmaması için trenin alt kısmının tasarımı rayları saracak şekilde tasarlanır. Kullanılan mıknatıslar, yalıtımı sağlanmış ince kabloların ham demire sarılması ile oluşturulmuş ve kablolardan akım geçirilmesi ile manyetik alan meydana getirirler. Mıknatıslık özelliği elektriğe bağlıdır ve elektrik kesildiği anda mıknatıslık özelliği ortadan kaldırılabilir veya akım artırılarak çekim kuvveti artırılabilir. Akım yönünün kontrolü ile mıknatıs kutupları değiştirilebilir. Elektromıknatıslar ile trenin ileriye doğru hareketi sağlanır. Elektrodinamik süspansiyon (EDS) teknolojisinde kullanılan raylar ile treni, tıpkı lineer motorda olduğu gibi açılmış halde bir elektrik motoru olarak düşünülebilir. EDS teknolojisinin kullanımıyla, raylarda bulunan mıknatısların kutupları trene ileri yönde hareket sağlayacak biçimde dinamik olarak değiştirilebilir. Oluşturulan bu değişimler çok hassas sistemlerle trene maximum hızı sağlayacak şekilde kontrol altına alınır. Maglev trenleri 600 km/ saat hıza ulaşabilir. Şekil 3’de Maglev trenlerindeki elektromıknatıslık prensibi gösterilmiştir. [7,15-16]

Maglev trenlerinde süper iletken mıknatıslar kullanılır, süper iletken mıknatıslar çok düşük sıcaklıklara kadar soğutulan elektromıknatıslardır. Süper iletken mıknatıslar -267 C° ye kadar soğutulur. Süper iletkenlerin Meissner etkisi özelliği kullanılarak maglev trenleri askıda tutulur. Süperiletken mıknatıslar normal mıknatıslardan 10 kat daha güçlü manyetik alan oluşturur. Süper iletken mıknatıslarda da, normal mıknatıslardaki gibi aynı kutupların birbirini itme prensibi geçerlidir. Bu trenler köşelerinde 4 adet mıknatısın konumlandırıldığı bir kutu şeklindedir. Ön köşelerde konumlanan mıknatıslar kuzey, arkada konumlananlar güney kutbunu oluşturur ve akım akmaya başladığında öndeki mıknatısları çeken arkada bulunan mıknatısları da iten bir manyetik alan meydana gelir. Maglev trenleri aynı hızda hareket eder ve çarpışma riski yoktur aynı zamanda sürücüsünün olmaması önemli bir özelliğidir. 2016 yılında ABD’de New Mexico Eyaleti’ndeki Holloman Hava Kuvvetleri Üssü’nde yapılan denemede 1019km/sa hıza ulaşarak yeni bir rekora imza attı. Çok yüksek olan bu hıza çıkan tren yolcu taşımada şimdilik kullanılmasa da yeni hızlı tren teknolojilerinin gelişimine kapı aralaması öngörülüyor. [7,13-15-16]

VII. MAGLEV ASANSÖRLERİ

Maglev asansörlerinde bir halat sistemi yerine manyetik kuvvet kullanılarak hareket sağlanır. Standart asansörlere göre daha sessiz, pürüzsüz ve konforlu olmasının yanında daha hızlıdır. [17-19]

Manyetik kaldırma teknolojisi eski tip bina asansörlerinin çok yönlülükten uzak hareket kabiliyetini değiştirebilir. İlk olarak Alman mühendislik firması ThyssenKrupp tarafından iki eksenli(yatay ve dikey) hareket kabiliyetine sahip maglev asansör sistemi tasarımı gerçekleştirilmiştir. İlk prototip Rottweil şehrindeki inşası devam eden 240m’lik kulede uygulanacaktır. Yüksek büyüklükteki yapılar için verimli, pratik ve yeni bir ulaşım çözümüdür. Çok katlı binalarda yaşayanlar için asansörde fazla vakit kaybı olmasına ve de uzun süre asansör beklemeye engel olur böylelikle insanlara zaman kazandırır. Standart halat sistemine sahip asansörler tek bir gerilme ile 487m yüksekliğe çıkabilirken maglev asansörlerinde böyle bir sınırlama yoktur. Bu asansörlerin klasik asansörlere göre binalara yerleştirilme maliyeti daha fazla olması dezavantajıdır. Maglev asansörlerinde tek bir asansör şaftı üzerinde birden çok kabin olabilir. Maglev asansörlerinde sadece lineer motorların yerleşeceği alana gereksinim duyulur böylece mimari tasarımlar kısıtlanmamış olur. Değişim sistemi doğrusal sürücünün ve yönlendirici ekipmanın 90 derece döndürülmesine olanak tanır.[17-19]

VIII. SONUÇ

Son yıllarda lineer motorlar; çok yüksek ve çok düşük hızlarda çalışabilme, yüksek ivmelenme oranı, yüksek hassasiyet, hızlı yanıt verme, uzun ömür, düşük bakım maliyeti, daha az adette hareketli parça kullanımı, daha kesin konumlandırma sağlama ve kompakt yapısı gibi özelliklerinden dolayı mühendislik uygulamalarında tercih edilmektedir. Bunun nedeni lineer motorun sağlamış olduğu avantajlar ve lineer motordan elde edilen doğrusal hareketin, dönel sistemlere eklenen mekanik ara parçalar yardımıyla elde edilen doğrusal harekete kıyasla çok daha hassas, hızlı ve güvenilir oluşudur. Günümüzde ulaşım sorununun önemi düşünüldüğünde manyetik kaldırma teknolojisi ve lineer motorların kullanıldığı maglev trenleri yüksek hızlarda ulaşım sağlayarak insanların hizmetine sunulmuştur. Lineer motorların uygulama alanlarından olan maglev asansörleri yeni bir teknoloji olsa da ilerleyen yıllarda yaygın olarak kullanılması ve düşük maliyetlerde uygulanabilir durumda olması öngörülmektedir.

KAYNAKÇA