Yürüyen dalga piezoelektrik ultrasonik motorun tasarım parametrelerinin sonlu elemanlar yöntemi ile optimizasyonu
Optimization of the design parameters of the traveling wave piezoelectric ultrasonic motor by finite elements method
Yazar: SİNAN SULİ
Danışman: DOÇ. DR. YASEMİN ÖNER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Harmonikler = Harmonics ; Hız = Speed ; Piezoelektrik = Piezoelectric ; Rezonans = Resonance ; Tork = Torque ; Ultrasonik motorlar = Ultrasonic motors

Özet:
Artan endüstriyel ihtiyaçlar, gelişen malzeme bilimi ve elektronik sistemler yeni nesil olarak adlandırılan motorların ortaya çıkmasına neden olmuştur. Bu motorlardan biri de piezoelektrik ultrasonik motorlardır. Ultrasonik motorlar, özellikle modelleme ve tasarım ilkeleri bakımından son yıllarda oldukça önemlidir. Bu motorlar yüksek hızda hareket, yüksek hassasiyet ve mükemmel konumlandırma gibi özellik isteyen yerlerde kullanılırlar. Bu motorların en büyük dezavantajı verimi düşük ve maliyeti yüksektir. Yapılan çalışmalar kullanılacak alana göre verimi yükseltmeye ve maliyeti düşürmeye yöneliktir.
Endüstriyel uygulamalara bakıldığında son yıllarda piezoelektrik motorlara olan talep önemli ölçüde artmıştır. Son zamanlarda geliştirilen motorların elektromanyetik emsallerinden daha üstün olduğunu gösterdiği farklı uygulama alanlarından çok sayıda örnek vardır. Bu yeni nesil motorlar mikro konumlandırma, aktif titreşim kontrolü, havacılık, deniz taşımacılığı, savunma sanayi, robot, uzay uygulamaları, otomotiv, yazıcılar ve kamera uygulamalarında kullanılmaktadır. Bu motorların kullanım alanlarını inceleyecek olursak; piezoelektrik motorlar uzay araçlarının iç kısımlarında yerden tasarruf sağlayan makine ve robot donanımlarında, görülemeyen yerlerden veri ve bilgi temininde, boru ve tüp sistemlerinin iç kısmının hasar tespiti ve onarımında, nükleer enerji santrallerinde, mayın tespit ve imhası görevleri gibi tehlikeli yerlerde kullanılan mini robotların hareket mekanizmalarında, taşınabilir iletişim cihazlarında, quartz saatlerde, kameraların odaklama mekanizmalarında, savunma sanayisindeki silahlı araçların hedef koordinatlarını hassas bir şekilde ayarlamasında, son günlerde tıp alanında söz edilen mikro cerrahide ve diğer robotik uygulamalarda kullanılmakta olup bu motorların teknolojideki yeni gelişmelerde birlikte kullanım alanları da genişlemektedir.
Yapılan literatür incelemelerinden sonra piezoelektrik motorlardan en yaygın kullanılan yürüyen dalga piezoelektrik ultrasonik motorunun uygulama alanına göre hızında ve torkunda iyileştirme yapılması amacıyla tasarım parametrelerinin optimizasyonu hedeflenmiştir. Piezoelektrik ultrasonik motorun tasarım parametrelerinin optimizasyonundaki amaç teğetsel uç yer değiştirmedeki değişimin gözlemlenmesi olduğundan dolayı motor sadece stator olarak modellenmiştir. Motorun tasarım aşamasında piezoelektrik malzeme kalınlığı, stator yüksekliği, stator kalınlığı, stator dış çapı ve uygulanan gerilimin genliği olmak üzere 5 parametre belirlenmiştir. Her seferinde bir parametre değiştirilip diğer 4 parametre sabit tutularak bu değişimin hız ve tork üzerindeki etkisi gözlemlenmiştir. Motorlar ilk olarak ANSYS SpaceClaim programında modellenmiş daha sonra modellenen her bir motorun ANSYS Workbench programının ''Modal'' modülünde rezonans frekanslarını tespit etmek için modal analizi gerçekleştirilmiştir. Rezonans frekansları tespit edilen motorların teğetsel uç yer değişiminin, hızının ve torkunun belirlenmesi için motorların rezonans frekanslarında ANSYS Workbench programının ''Harmonic Response'' modülü kullanılarak harmonik analizleri gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen bu analizler sonucunda motorların kullanılacak uygulama alanlarına göre hızında ve torkunda iyileştirmeler yapılabileceği gözlemlenmiştir.

Abstract:
Increasing industrial needs, developing materials science and electronic systems have led to the emergence of new generation motor. One of these motors is piezoelectric ultrasonic motors. Ultrasonic motors have become very important in recent years, especially in terms of modeling and design principles. 	These motors are used in places that require properties such as high-speed movement, high precision, and perfect positioning. The biggest disadvantage of these motors is their low efficiency and high cost. The studies are aimed at increasing the efficiency and reducing the cost according to the area to be used.
Looking at industrial applications, the demand for piezoelectric motors has increased significantly in recent years. There are numerous examples from different application areas where recently developed motors have shown to be superior to their electromagnetic counterparts. These new generation motors are used in micro positioning, active vibration control, aviation, maritime transport, defense industry, robot, space applications, automotive, printers and camera applications. If we examine the usage areas of these motors; piezoelectric motors are used in space-saving machinery and robot equipment in the interior of space vehicles, in obtaining data and information from invisible places, in the damage detection and repair of the interior of pipe and tube systems, in nuclear power plants, in the movement mechanisms of mini robots used in dangerous places such as mine detection and destruction missions, in portable communication devices, in quartz watches, in focusing mechanisms of cameras, in precise adjustment of target coordinates of armed vehicles in the defense industry, microsurgery and other robotic applications, which has been mentioned in the field of medicine recently, and the usage areas of these motors are expanding with new developments in technology.
After the literature review, it was aimed to optimize the design parameters to improve the speed and torque of the traveling wave piezoelectric ultrasonic motor according to the application area, which is the most widely used piezoelectric motors. Since the purpose of optimization of the design parameters of the piezoelectric ultrasonic motor is to observe the change in tangential tip displacement, the motor is modeled only as a stator. During the design phase of the motor, 5 parameters were determined as piezoelectric material thickness, stator height, stator thickness, stator outer diameter and applied voltage amplitude. The speed and torque of this change was observed by changing one parameter at a time and keeping the other 4 parameters constant. The motors were first modeled in the ANSYS SpaceClaim program, then the modal analysis of each modeled engine was performed in the ''Modal'' module of the ANSYS Workbench program to detect the resonance frequencies. To determine the tangential tip displacement, speed and torque of the motors whose resonance frequencies were detected; harmonic analyzes were carried out at the resonance frequencies of the motors by using the ''Harmonic Response'' module of the ANSYS Workbench program. As a result of these analyzes, it has been observed that improvements can be made in the speed and torque of the motors according to the application areas to be used.