Fırçasız DC Motorlar Yapısı Çalışması

Fırçasız DC Motorlar: Brushless ( fırçasız) motorlarda fırça ve kollektör bulunmaz bu yüzden bu motorlara fırçasız motor denir. Teknolojinin gelişmesi ile robotik alanda da fırçasız (Brushless) BLDC motor kullanılmaya başlanmıştır. Yeni bir tip motor olmalarına karşın her ortamda karşılaşmak mümkündür. (Fırçasız) Brushless DC’nin kısaltması BLDC olarak da yazılır.

Normal DC motorların, özellikleri ve kullanım kolaylığı açısından geniş bir kullanım alanları vardır. Buna rağmen  fırça ve komütatöre bağımlı olması nedeniyle bazı ortamlarda kullanılma alanlarını daraltmıştır. Fırçalar aşınırlar bundan dolayı zaman içinde bakım gerektirir.

Bu durumda bakıma gereksinimi olan bir motorun, sabit dönme sayısında ilerleyen zaman içerisinde dönme sayısında değişiklik olur. Fırça ve  komütatörün yerini yarı iletken anahtar aldığında fırçasız (brushless) DC motorlar oluşur.

Bu motorların rotor kısmında güçlü doğal mıknatıs kullanılmaktadır. Statorda ise bobinli sargıları mevcuttur. Brushless dc motor gelişen teknoloji ile robot projelerinde kullanım alanı bulmuştur. Standart motorlara göre yeni sayılabilecek bir motor teknolojisidir. Buna karşın günümüzde fırçasız motorlarla her ortamda karşılaşılmaktadır.

Fırçasız DC Motor Yapısı

Fırçasız dc motorların yapısı, dönen bölümü rotor (endüvi) sabit mıknatıstan oluşur. Duran bölümü (stator) ise küçük bobinli sargılardan oluşur.

Stator (Endüktör)

Fırçasız DC motorun yapısı, AC senkron motoruna benzer. Statoru, sargı ve nüveden oluşur. Rotorun manyetik alan ile statörün manyetik alanı aynı frekansta döner. Statör üç sargıdan oluşur.

Fırçasız DC motorun, AC motorlardan farkı, sargıları sürerken rotor yerleri bilinmelidir. Bu işlemde Hall sensörü veya optik sensör adı verilen alan etkili sensörlerle gerçekleştirilir. Fırçasız dc motorda rotor statörün içine ve dışına yerleştirilir.

Statora sargılar Yıldız (Y)  ve üçgen (δ delta) şeklinde sarılır. Üçgen sarım, üç ayrı sargıyı bir üçgen olacak şekilde bağlanır. Her birleşim noktalarına gerilim verilir. Yıldız bağlantısı, her üç sargıyı tek bir merkeze bağlar. Gerilim, sargıların açıkta kalan uçlarına verilir.

Fırçasız DC motorlar, birinci sargıya pozitif (+), ikinci sargıya negatif (-) (GND) enerji verilir ve çalıştırılır. Üçüncü sargı boşta yani enerjisizdir.

Yıldız – Üçgen Bağlantı

Bu bağlantı özelliklerine göre;

Statorun Y bağlantısında her zaman iki sargı seri olarak kullanıldığı için manyetik alan şiddetlidir. Bu demektir ki daha çok moment, daha düşük hız. Buna rağmen gerilim yüksek akım düşük olur.

Üçgen (δ) bağlantısında tek bir sargı kullanıldığı için düşük gerilimde yüksek akım sağlanır. Bu da yanında yüksek hız, düşük tork getirir. İki fazlı motorlarda statör, mikroişlemci fanı gibi dört kutupludur. Bazı türlerde manyetik akının ölü noktalarının azaltılması için gölge (yardımcı) kutuplar kullanılır.

Rotor (Endüvi)

Sabit mıknatıslı rotorun kutup sayısı iki-sekiz arasında değişir. Rotorda istenen manyetik akı yoğunluğuna bağlı uygun malzeme seçimi yapılır. Genellikle ferritten yapılan mıknatıslar daha ucuzdur. Fakat daha az manyetik yoğunluk sağlar. Günümüzde Neodmiyum-Ferrit-Boron (NdFeB), Neodmiyum(Nd) ve Samarium-Cobalt (SmCo). Bu alaşımlardan mıkantıslar üretilmektedir.

Fırçasız dc motor rotor tipleri;

• Rotor milinin üzerine yerleştirilmiş kalıcı mıknatıs,
• Rotorun gövdesi içerisine yerleştirilmiş kalıcı mıknatıs,
• Rotor oyuklarına yerleştirilmiş kalıcı mıknatıslardan oluşan tipleri vardır.

Sabit mıknatısların rotor nüvesine yerleştirilmesi;

• Dairesel nüvenin çevresine, nüvenin içine dikdörtgen kütükler şeklinde gömülerek.

Fırçasız dc motor stator tipleri;

Bu motorlarda sargılara enerji iletimi kolektör ve fırçalar yerine elektronik anahtarlarla yapılır. Fırçasız motorun hızını ve dönüş yönünü ayarlamak için dört adet sürücü transistör gerekir. Hız aralığı geniştir.

Bazı uygulamalarda 50.000 devir/dakika ’yı geçer. Çalışma hızı; motorun ebatı ve yüküne bağlı değişir. Besleme gerilimi düşüktür. 24V gerilimle çalışır. Doğru akımla çalıştıkları için frekans değişiminden etkilenmez. Ebatları 2.5 cm ile 14 cm civarındadır. Bu motorlar kapalı ve açık yapılabilir. Verim %80’ lerdedir.

Fırçasız dc motorlar, fırçalı dc motorlarla aynıdır. Tek farklılık, rotor üzerinde bobin yoktur. Sabit mıknatıslar rotor üzerindedir. Statör bobinleri gövde üzerine sabittir. Fırçasız dc motorlarda stator ve rotorun yeri değişmiştir.

Kollektör ve fırçada sürtünme sonucu direnç oluşur. Kollektör sisteminin kalkması, oluşan elektrik mekanik  kayıpları ortadan kaldırır. Böylece fırçasız doğru akım motorlarından yüksek tork alınır.

Motorun çalışması için ek donanım olarak elektronik bir devre ile sargı üzerine gelen akımı kontrol etmektir. Bu sakıncalıdır. Fırça – kolektör (komutatör) sistemiyle sağlanan karmaşık ateşleme sistemi dış devrelerce yapılmalıdır. Bu kişilere ek maliyet getirir. Ancak aynı güçte olan bir motora kıyasla küçük, hafif olması, devir  kontrolünün yapılabilmesi maliyeti azaltabilir.

Fırçasız DC motorlarla, step motorları arasındaki fark;

Fırçasız motorlarda, rotorun yerinin bilinmesi için rotor konum sensörünün kullanılmasıdır. Konum sensörleri ile rotorun yerini algılanır. Sonra hangi sargıya hangi yönde bir enerji uygulanacağına  karar verilir.

Fırçasız Motor Nerelerde Kullanılır?

Özellikle radyo kontrollü projeler için kullanılır. Birim enerji yoğunlukları daha iyidir. RC arabalar, helikopterler, fotokopi makinaları, yazıcılar, optik tarayıcı ve tıp cihazları gibi. Yüksek güç gerektiren yerlerde kullanılır. Fırçasız motorlar yüksek hıza sahiptirler.

Fırçasız motorların avantajları

• Yüksek verim.
• Doğrusal moment-hız ilişkisi.
• Yüksek moment-hacim oranı (Az bakır gerektirir.)
• Fırçaların ve kolektörün olmayışı (daha az bakım, tehlikeli ortamlarda kullanılabilme).
• Sessiz çalışır.
• Elektriksel gürültü oluşturmaz.
• Daha çok tork.
• Uzun ömürlüdür.

Fırçasız motorların dezavantajları

• Harici güç elektroniği gerektirir.
• Uygun çalışma için rotor konum bilgisi gerektirir.
• Hall-etkili sensörlere gerek vardır.
• Algılayıcısız yöntemlerin kullanımı ilave algoritmalar gerektirir.
• Fiyatları pahalı bir sistemdir.

Fırçasız DC Motor Çeşitleri

Bu motorlar iç yapılarına göre ikiye ayrılır

Inrunner Brushlesss Motor

Motorun dönen kısmı yani rotoru motorun iç kısmındadır. Gövde (stator) sabittir. Bu motorların genel olarak hızları diğer tür olan outrunner’a göre daha yüksektir. Buna karşılık motorların volt başına ürettikleri tork daha azdır. Rotorun içte olması birçok kullanım kolaylığı sağlar. Görünüş olarak standart fırçalı motorlara benzerler.

Outrunner Brushless Motor 

Outrunner motorlarda, ınrunner motorların aksine bir mekanik düzenleme vardır. Motorun rotoru dış kısımdadır. Yani motorun gövdesi döner sabit kısımsa içerdedir. Soğutulmaları bobin kısmının merkezde olması nedeniyle daha zordur. Outrunner motorların hızlarının daha düşük tokları daha yüksektir. Bu sebeple uçan projelerde (helikopter, quadrotor, uçak) daha sık olarak kullanılırlar.

Outrunner motorlar ESC (Electronic Speed Controller) denilen elemanlar tarafından kontrol edilir. Üç çıkışı olan outrunner motorlar, üç tane girişi olan ESC ‘lere bağlanır. İstenilen hız seviyeleri ESC tarafından tespit edilerek motor o devirde döndürülür.

Fırçasız motorlar sensörlü ve sensörsüz olarak ta iki gruba ayrılır.

Sensörlü fırçasız motorlar bobinin gövde içinde nerde olduğunu tam olarak hassas bir şekilde algılar. Uygun bir esc ile birlikte motordan güç kaybı oluşmaz.

Sensörsüz fırçasız motorlar yaygın olarak bulunan motorlardır. ESC’ ler bobine gönderilen dalganın değiştirileceği ve değiştirilmeyeceğine bobinde oluşan sinyal ile hareket ederler. Sensörsüz motorlar sensörlü motorlar kadar yüksek hızlara ve ivmelere ulaşmazlar.

Brushless (fırçasız) motorların robotikte kullanım alanları; Bu motorlar fırçalı motorların kullanıldığı bütün ortamlarda kullanılır. Ayrıca motor komütatörlerinden oluşabilecek arkların tehlike oluşturduğu sistemlerde. Daha yüksek enerji yoğunluğu gerektiren işlerde, yüksek hız isteyen sistemlerde kullanılırlar.

Motor Çalışma Voltajları

Brushless motorların elektronik devreleri vardır. Bundan dolayı çalıştıkları voltaj aralıkları standart fırçalı motorlara göre dardır.

Motorda verimlilik; fırçasız motorlarda herhangi bir mekanik kontak olmadığından için ve sürtünme de minimumdur. Bu durumda motorlar daha verimlidir. Verim % 70 ile % 90′ a kadar çıkabilir. Fırçasız motorlarda herhangi bir mekanik kontak yoktur. Bu sebeple bağlantı noktalarında gerekli izolasyon yapılırsa motorlar sualtında da çalıştırılabilir. Çünkü tuzlu su, motor bobin tellerine korozif etki yapar ve telleri paslandırır.

Motorlar uzun ömürlüdür. Brushless motorda komütatör fırçaları olmaz. İlk önce motor şaftına destek olan bilyalar eskiyebilir. Bilyalar uzun ömürlü olduğu için fırçasız motorlar da uzun ömürlüdür. Brushless motorlar maliyetlidir. Günümüzde fırçasız motor imalatı, standart fırçalı motorlara göre daha ucuza olmasına karşın brushless dc motor fiyatları daha pahalıdır.

Elektronik Hız Kontrolör Sistemi (ESC’ler)

Fırçasız motorları kontrol etmek amacı ile kullanılan elektronik devre sistemleridir. Bu devreler motorların bobinlerine sırası ile PWM dalgası yollarlar.

Bir ESC devresi üç sistemden oluşur.

• Servo sinyallerini çözücü ve işleyici MCU
• Motor akım yükseltme devresi (Fet, Mosfet Transistorlü devreler)
• Geribildirim devresi motorlarda meydana gelen EMI’ yı ölçen devre. Sensörlü motorlar için uygun olan ESC’ lerde EMI’ yi ölçen devre yerine sensör bilgilerini çözümleyen decoder vardır.

ESC Nasıl Çalışır?

RC ESC’ ler Radyo kumandaların da kullanılmak için imal edilen özel motor konrol devresidir. Radyo kumandalar, servoları çalıştırmak için gereli sinyalleri (PCM veya PPM) üretirler. Bu sinyaller %7 ile %14 arasındaki PWM sinyallaleridir. Bu saykıl saniyede 60-70 hertzlik frekensta meydana gelir. ESC’ ler de bu sinyalleri brushless motorlara uygun duruma getirir.

ESC’ nin Özellikleri

Laboratuvar şartlarında elde edilen ESC değerleri firmalar etiketlerine yazarlar. Örneğin maksimum 30 ampere dayanıklı ESC’ ler bu akım çekimine milisaniyeler mertebesinde dayanır. Çalışma voltajı motora uygun olmalıdır. Örnek olarak 4–6 cell* ESC; 4,8Volt ile 7,2Volt arasında çalışabilecek ESC anlamına gelir.

ESC’ ler genel olarak sadece tek yönde çalışacak şekilde imal edilirler. Bu durumda helikopter motorunu hep bir yöne çeviren bir sistem için sorun olmaz. Ama robotik kulanım için uygun değildir. İleri ve geri döndürülmesi için ESC’ nin geri döndürebilir (reversible) ESC özellikte olması gerekir. ESC seçimi yaparken, motor ve ESC markası aynı olmalıdır.