Çok yönlü hareket kabiliyetine sahip sabit mıknatıslı küresel motorun tasarımı
Design of a multi degree freedom permanent magnet spherical motor
Yazar: UMUT YUSUF GÜNDOĞAR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SİBEL ZORLU PARTAL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Analiz = Analysis ; Elektromanyetik = Electromagnetic ; Küresel motor = Global engine ; Motorlar = Motors ; Mıknatıslar = Magnets ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method

Özet:
Robotik, havacılık, savunma, aviyonik, otomotiv ve biyomedikal uygulamalarda, teknolojik gelişmelerle birlikte çok serbestlik dereceli hareket kabiliyetine olan ihtiyaç her geçen gün artmaktadır. Böyle sistemlerde her bir serbestlik dereceli hareket için ayrı bir elektrik makinası kullanmak yerine, çok serbestlik dereceli hareket kabiliyetine sahip motorların kullanılması, bu sistemlerin karmaşıklığını azaltmakta ve boyutlarının küçülmesini sağlamaktadır. Ayrıca yine çok serbestlik dereceli hareket kabiliyetine sahip uygulamalarda bu motorların kullanımıyla, yüksek kuvvet, yüksek moment ve büyük hareket açıları sağlanabilmektedir. Bu amaçla bu tez çalışmasında iki serbestlik dereceli hareket kabiliyetine sahip, ±45˚ eksenel hareket açısı yapabilen ve yeni bir mekanik yapıya sahip, yüzey mıknatıslı bir küresel bir motor tasarlanmıştır.
Tez çalışmasında tasarlanan küresel motor, 4 kutuplu, yüzey mıknatıslı bir rotordan ve 3 blok yapısında, 18 sargıya sahip bir statordan oluşmaktadır. Motorun mekanik yapısında ise küresel mafsal, küresel yatak, küresel rulman ve yatak kapakları gibi herhangi bir mekanik parça kullanılmadan, rotoru iki hareketli parça ile çevreleyen ve ±45° eksenel hareket açısı sağlayabilen yeni bir mekanik yapı tasarlanmıştır. Bu yeni mekanik yapı sayesinde, motorun eksenel hareket açısı, moment ve kuvvet değerlerinde, literatürde mekanik yapılarında küresel mafsal, küresel yatak, küresel rulman, yatak kapakları kullanılan motorlara göre daha başarılı sonuçlar elde edilebilmiştir. 
Küresel motor tasarımında ilk önce farklı motor modelleri oluşturularak, elektromanyetik analizleri yapılmış ve yapılan tasarım optimizasyonu sonucuna göre nihai tasarım modeline karar verilmiştir. Tasarım ve analiz çalışmaları sonlu elemanlar yöntemiyle (SEY) Ansys Maxwell yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir.  Analizlerde nihai motor yapısının belirlenebilmesi için farklı stator, rotor, mıknatıs yapıları ve malzemelerinin kullanıldığı, farklı küresel motor modelleri oluşturulmuş ve elektromanyetik analizleri gerçekleştirilmiştir. Her bir tasarım için manyetik akı yoğunluğu, kuvvet ve moment değerleri elde edilmiş, rotorun hareket açı kabiliyeti karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma sonuçları değerlendirilerek, nihai motor modeline karar verilmiştir. Daha sonra nihai motor tasarımının prototipi üretilmiş ve testleri yapılmıştır. Elde edilen test sonuçları ile analiz sonuçları karşılaştırılmıştır ve karşılaştırma sonuçları grafiklerle verilmiştir.

Abstract:
The need for multi degrees of freedom motion for applications in robotics, aerospace, defense, avionics, automotive and biomedical sectors is increasing with technological developments. Multi degrees of freedom motor can be using instead of an electrical machine for each movement to reduce the size and complexity of the systems. In addition, it provides an advantage in terms of providing force, torque and large movement angle in applications with multi degrees of freedom motion. For this purpose, in this thesis, a two degrees of freedom spherical surface permanent magnet motor with a new mechanical structure and large axial motion angle of ±45˚ was designed. 
Spherical permenant magnet motor consist of 4 pole surface permanent magnet rotor and 3 block stator with 18 coils. The new mechanical structure of the prototyped spherical surface permanent magnet motor surrounded the rotor with two moving parts to motion at large axial motion angle of ±45° without using any mechanical part such as ball joint, spherical bearing, spherical joint and bearing covers. Thanks to this new mechanical structure, more successful results have been obtained in the axial movement angle, moment and force values of the protoyped motor, compared to the motors in the literature in which using ball joint, spherical bearing, spherical joint and bearing covers in their mechanical parts.
Firstly, electromagnetic simulations of the spherical motor were performed and the final design model was decided. Design and simulation studies were carried out using Ansys Maxwell software based on the finite element method (FEM). In order to determine the final motor design, different spherical motor models using different stator, rotor, magnet structures and materials were designed and electromagnetic simulations were carried out. Magnetic flux density, force and moment values were obtained for each design, and the motion angle capability of the rotor was compared. The final motor model was decided by evaluating these comparison results. Then the prototype of the final motor design was produced and tested. The obtained test results and the simulation results were compared and the comparison results were given in graphics.