مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

معرفی، شبیه‌سازی و بررسی تجربی موقعیت دهنده‌ صفحه‌ای اجسام مبتنی بر تکنولوژی موتور سنکرون خطی با آهن‌ربای دائم

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
1 گروه مهندسی ساخت و تولید، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس
2 گروه طراحی کاربردی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس
چکیده
هدف از پژوهش حاضر، طراحی و ساخت عملگری است که با استفاده از نیروهای عکس‌العمل میان سیم‌پیچ‌های حامل جریان در استاتور و چیدمانی از آهن‌ربای دائمی (چیدمان هالباخ) متصل به متحرک، جابه‌جایی یک پایه متحرک و موقعیت‌دهی اجسام انجام گیرد. به این ترتیب با توجه به موقعیت اولیه و موقعیت مطلوب توزیع جریان در سیم‌پیچ‌های استاتور به گونه‌ای تغییر می کند تا نیروی لازم برای انتقال متحرک به موقعیت مطلوب فراهم شود. در این پژوهش از ترکیب موتورهای سنکرون خطی با آهن‌رباهای دائمی برای ایجاد حرکت در دو بعد استفاده می‌شود. استاتور شامل دو دسته سیم‌پیچ مستطیلی است که به صورت عمود برهم نصب شده‌اند. متحرک شامل چهار چیدمان آهن‌ربا هالباخ تخت است. دو چیدمان برای ایجاد حرکت در راستای x و دو چیدمان دیگر به منظور ایجاد حرکت در راستای y مورد استفاده قرار می‌گیرد. ابتدا رابطه‌ بین نیرو و کاموتاسیون جریان به شکل تحلیلی ارائه شد، سپس پارامتر‌های طراحی از قبیل ابعاد متحرک و فضای کاری انتخاب شده و متناسب با آنها، ابعاد آهن‌رباهای مورد نیاز برای ساخت چیدمان تعیین شد و با توجه به ابعاد چیدمان، ابعاد و تعداد دور سیم‌پیچ‌ها نیز مشخص شد. با استفاده از پارامتر‌های طراحی به روابط کاموتاسیون، شبیه‌سازی حرکت صفحه‌ای عملگر انجام گرفت. نتایج به دست آمده مطابقت زیادی با روابط تحلیلی داشت. آزمایش‌های تجربی برای بررسی قابلیت موقعیت‌دهی و حرکت دو‌بُعدی متحرک انجام گرفت. دقت عملگر ساخته شده ۵میلی‌متر و حداقل زمان پاسخ برای عملگر ۵/۰ثانیه است. کمترین مقدار خطا در موقعیت ۲۵میلی‌متری اتفاق می‌افتد. علت آن می‌تواند در نزدیک بودن این موقعیت به دوره‌ی تناوب مغناطیسی موتور باشد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Introduction, Simulation and Experimental Investigation of a Planar Positioner Based on Permanent Magnet Linear Synchronous Motor Technology

نویسندگان English

Y. Hojjat 1
B. Ghavami Namin 2
1 Manufacturing Engineering Department, Faculty of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University
2 Applied Design Department, Faculty of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University
چکیده English

The aim of this research is to design and fabricate an actuator, which operates based on reaction forces between current carrying stator coils and magnetic arrays (Halbach arrays) connected to the mover, in order to move a motion stage for positioning objects. Thus, according to the initial and intended position of the mover, current commutation in stator coils is changed in a way that required force for transporting the mover to the desired position is provided. In this research, the integration of two perpendicular synchronous linear motors is utilized in order to create the planar motion. The stator consists of two sets of rectangular coils, which are placed perpendicular to each other. Mover consists of four Halbach arrays, which two Halbach arrays are used for x-axis motion and the other two arrays are used for y-axis motion. First, the analytic relationship between the applied magnetic force and current commutation was introduced. Then, the design parameters such as mover dimensions and stator workspace were determined. Concerning these parameters, dimensions of cubic magnets for Halbach array fabrication were obtained and with respect to array dimensions, the dimensions and number of turns for stator coils were determined. Using these design parameters and commutation equations, the planar motion of the actuator was simulated. The simulation results showed good agreement with the analytical results. Experimental tests were conducted in order to investigate the positioning capabilities and 2 dimensional motion. The precision of the fabricated actuator is 5mm and the minimum response time of actuator is 0.5sec. The minimum position error occurs at 25mm position that is due to the closeness to motor magnetic period.

کلیدواژه‌ها English

Positioning
Magnetic Finite Element Analysis
Synchronous Linear Motor
Halbach array
Lu X, Usman I. 6D Direct-drive technology for planar motion stages. CIRP Annals. 2012;61(1):359-362. [Link] [DOI:10.1016/j.cirp.2012.03.145]
Sawyer BA. Magnetic positioning device. US Patent. 1968;(3376578):1-2. [Link]
Compter IrJC. Electro-dynamic planar motor. Precision Engineering. 2004;28(2):171-180. [Link] [DOI:10.1016/j.precisioneng.2003.08.002]
Kim WJ, Trumper DL. High-precision magnetic levitation stage for photolithography. Precision Engineering. 1998;22(2):66-77. [Link] [DOI:10.1016/S0141-6359(98)00009-9]
Gieras JF. Linear synchronous motors: transportation and automation. 2nd Edition. Boca Raton: CRC press; 2012. p. 155. [Link]
de Boeij J, Lomonova E, Vandenput A. Modeling ironless permanent-magnet planar actuator structures. IEEE Transactions on Magnetics. 2006;42(8):2009-2016. [Link] [DOI:10.1109/TMAG.2006.877712]
Jansen JW, van Lierop CMM, Lomonova EA, Vandenput AJA. Magnetically levitated planar actuator with moving magnets. IEEE Transactions on Industry Applications. 2008;44(4):1108-1115. [Link] [DOI:10.1109/TIA.2008.926065]
Kim WJ, Trumper DL, Lang JH. Modeling and vector control of a planar magnetic levitator. IEEE Transactions on Industry Applications. 1998;34(6):1254-1262. [Link] [DOI:10.1109/28.738999]
Jung KS, Baek YS. Study on a novel contact-free planar system using direct drive DC coils and permanent magnet. IEEE/ASME Transaction in Mechatronics. 2002;7(1):35-43. [Link] [DOI:10.1109/3516.990885]
Zhang S, Dang X, Wang K, Huang J, Yang J, Zhang G. An analytical approach to determine coil thickness for magnetically levitated planar motors. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 2017;22(1):572-580. [Link] [DOI:10.1109/TMECH.2016.2631571]