Piezoelektrik motorların tasarımı, kontrol mekanizmaları ve sonlu elemanlar modeli üzerine bir araştırma
An investigation of design, control mechanisms and finite element modelling for piezoelectric motors
Yazar: ARİF ŞAHİN
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA REŞİT USAL
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Günümüzde teknolojik gelişmelere ve endüstriyel uygulamalara paralel olarak, elektrik motorlarının kalite ve çeşitliliğinin geliştirilmesi konusu önem kazanmıştır. Endüstride kullanılacak yeni motorların yüksek hız, yüksek moment, düşük ağırlık, küçük boyut ve uzun ömürlü olmaları istenmektedir. Bu bağlamda birçok motor geliştirilmiştir. Geliştirilen bu yeni motordan biri de piezoelektrik motordur.Bu çalışmada yapısında piezoseramik malzemelerin kullanıldığı motorların temel kavramları, çalışma prensipleri ve kontrol mekanizmaları hakkında bilgiler verilmiştir. Ayrıca ultrasonik frekans aralığında çalışan bu motorların çalışma prensiplerini incelemek için literatürde mevcut olan motor modellerinin önce dinamik modeli sonra bu motoru harekete geçirecek kontrol kartı ve sürme teknikleri incelenmiştir. Bu motorların karakteristik çalışmasını ortaya koyan Modal ve Harmonik analizleri, Sonlu Elemanlar tabanlı paket programı olan ANSYS ile incelenmiştir. Bu bağlamda incelenen piezoelektrik liner motor tasarımları ve analizleri doğrultusunda model olarak PiezoMotor firmasına ait PiezoLEGS - LL1011A liner motor tipi seçilmiştir.

Analizler, PZT4 olarak seçilen piezoseramik malzemeleri iki ayrı yüke maruz bırakarak yapılmıştır. İlk olarak piezoelektrik motor modeline kuvvet uygulanıp piezoseramiklerin rezonans frekansı ve sürücü uç hareketleri incelenmiştir. İkinci olarak ise piezoseramikleri rezonansa sokacak gerilim uygulanarak, uygun rezonans frekansı ve sürücü uç hareketleri incelenmiştir. Yapılan bu iki farklı analiz tipi sonucunda motorda kayıcı hareketini sağlayacak uygun davranış modeli belirlenerek, sürücü uçta meydana gelecek yer değiştirmeler neticesinde motora hareket sağlayacak frekans değeri ve deformasyonlar elde edilmiştir.Yapılan bu iki farklı analiz tipi sonucunda motorda kayıcı hareketini sağlayacak uygun davranı? modeli belirlenerek, sürücü uçta meydana gelecek yer deği?tirmeler neticesinde motora hareket sağlayacak frekans değeri ve deformasyonlar elde edilmi?tir.

Anahtar Kelimeler: Piezoelektrik, Ultrasonik, Modal Analiz, Harmonik Analiz, PZT4, Sonlu Elemanlar Yöntemi.

Abstract:
Nowadays; in parallel with technological developments and industrial applications, has gained importance in the development of electric motors which is the quality and diversity. New engines will be used in industry required to have high-speed, high-torque, low weight, small size and long-lasting. In this regard many engines have been developed. One of these newly developed motor is piezoelectric motor. In this study, the motor which is used in the structure of piezoceramic materials provides information about basic concepts, principles of operation and control mechanisms. Furthermore to examine the mentioned engines which are running in the ultrasonic frequency range, firstly the dynamic model of engine models available in the literature and then the motor control board and riding techniques that mobilize the engine investigated. Modal and harmonic analysis revealing characteristic of these engines work analyzed by the ANSYS finite element based software package. In this regard PiezoLEGS - LL1011A linear motor type was selected which is belonging to the company as a model PiezoMotor accordance with examined in the piezoelectric linear motor design and analysis. 

Analysis were made piezoceramic materials which are selected PZT4, by exposing two different load. Firstly; the force applied to the piezoelectric motor model and then was examined piezoceramics resonance frequency and movements of the drive end. Secondly; the voltage applied which piezoceramics has into resonance and then was examined piezoceramics resonance frequency and movements of the drive end as well. As a result of performed two different type of analysis, appropriate behavior model is determined which allow sliding movement of the motor so frequency value and deformations are obtained which provide movement to the motor as a result of displacements occurred the drive end.

Keywords: Piezoelectric, Ultrasonic, Modal Analysis, Harmonic Analysis, PZT4, Finite Element Method.