fırçasız dc motor

rağmen  fırça ve komütatöre bağımlı olması nedeniyle bazı ortamlarda kullanılma alanlarını daraltmıştır. Fırçalar aşındıkları için zaman içinde bakım gerektirir. Bu durumda bakıma gereksinimi olan bir motorun disket veya CD sürücü gibi sabit dönme sayısı istenen ortamlarda kullanıldığında, ilerleyen zaman içerisinde dönme sayısında bir değişiklik olur. Fırça ve  komütatörün yerini yarı iletken anahtar aldığı zaman fırçasız (brushless) DC motorlar meydana gelir.

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

Fırçasız motor nerelerde kullanılır? özellikle radyo kontrollü projeler için kullanılırlar. Birim enerji yoğunlukları daha iyi olduğundan RC arabalarda, helikopterlerde, fotokopi makinaları, yazıcılar, teyp sürücüleri, optik tarayıcı ve tıp cihazları gibi yüksek güç gerektiren yerlerde kullanılırlar. Fırçasız motorların, fırçalı motorlardan farkı; yüksek hıza sahip olmaları, torkları fazla, elektriksel gürültü meydana getirmez, sessiz çalışır, uzun ömürlüdür ve bakımları kolaydır. Bu özellikleri sayesinde kullanma alanları geniştir. Bunun yanında brushless dc motorlar tamamen kontrol gerektiren, fazla ısınan ve brushless dc motor fiyatları pahalı bir sistem olduğu için bu da kullanımdaki eksileridir. Brushless motorların genel fırçalı motorlara göre birçok avantajı ve dezavantajı vardır.

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 çalışma
• Elektriksel gürültü meydana getirmemesi
• Daha çok tork
• Uzun ömür

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.
• Pahalı sistem

Fırçasız DC Motor Yapısı

Fırçasız dc motorların yapısı, dönen bölümleri rotor (endüvi) sabit mıknatıstan, duran bölümleri (stator) ise küçük bobinli sargılardan meydana gelmiştir.

• Stator (Endüktör)

Fırçasız DC motorun yapısı, AC senkron motoruna benzer. Statoru (endüktör) duran bölümüdür. Sargı ve nüveden meydana gelir. Rotor tarafından elde edilen manyetik alan ile endüktör tarafından elde edilen manyetik alan aynı frekansta döner. CD sürücüler, harddisk gibi elektronik cihazlarda kullanılan fırçasız doğru akım motorları, üç fazlıdır. Yani endüktörü üç sargıdan meydana gelir. Mikro işlemcinin soğutma fanlarındaki motorlar ise iki  fazlıdır. Endüktör sargıları çok fazlı AC motorlardaki gibi sarılmaktadır.

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 endüktörün içine ve dışına yerleştirilir.

Fırçasız DC motorda endüktör, birbirine sıkıştırılan ince çelik plakaların meydana getirdiği yarıklara sarılan sargılardan meydana gelir. Bir veya birkaç bobin birbirini dik kesecek biçiminde bağlanır ve endüktörün etrafına dağıtılır.

Endüktöre sargılar iki biçimde sarılır. Yıldız (Y)  ve üçgen (delta) sarılır. Üçgen sarım, üç ayrı sargıyı bir üçgen meydana gelecek 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. Bu prensibe göre üçgen ve yıldız bağlantıların özellikleri;

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

Üçgen (delta) bağlantısında tek bir sargı kullanıldığı için düşük gerilimde yüksek akım sağlanır. Bu da yanında yüksek hız, düşük tork getirir.

İki fazlı motorlarda endüktör, 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, alaşımlı mıknatıs malzemelerden ucuzdur. Buna karşın  daha az manyetik yoğunluk sağlar. Günümüzde Neodmiyum-Ferrit-Boron (NdFeB), Neodmiyum(Nd) ve Samarium-Cobalt (SmCo) alaşımından mıkantıslar üretilmektedir.

Fırçasız dc motor rotor tipleri; rotor milinin üzerine yerleştirilmiş kalıcı mıknatıs, endüvinin gövdesi içerisine yerleştirlmiş kalıcı mıknatıs, rotor oyuklarına yerleştirilmiş kalıcı mıknatıslardan meydana gelen tipleri vardır.

Sabit mıknatıslar rotor nüvesine; üç biçimde yerleştirilir;

• ¾ Dairesel nüvenin etrafına
• ¾ Dairesel nüvenin içine dikdörtgen kütükler şeklinde gömülerek
• ¾ Dairesel nüvenin içine dikdörtgen kütükler şeklinde sokularak

Fırçasız dc motor stator tipleri; fırçasız DC motorlarda sargılara enerji iletimi kolektör ve fırçalar yerine elektronik anahtarlarla gerçekleştirilir. 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 ebatlarına ve yüküne ve bağlı değişir. Besleme gerilimi düşüktür. Genellikle 24V gerilimle çalışır. Doğru akımla çalıştıkları için frekans kayıpları olmaz. Şebekenin frekans değişiminden etkilenmez. Ebatları 2.5 cm ile 14 cm civarındadır. Fırçasız doğru akım motorları kapalı ve açık yapılabilir. Verim %80’ler seviyesindedir.

Fırçasız DC Motor Çalışma Prensibi

Fırçasız dc motorlar, fırçalı dc motorlarla aynıdır. Çalışırken gösterdiği farklılık, rotor üstünde bobin olmaması,  sabit mıknatısların rotor üstünde olması, endüktör  bobinlerinin gövde üstüne sabit olmasıdır. Fırçasız dc motorlarda endüktör ve rotorun yeri değişmiştir. Fırçasız dc motorların faydası; kolektör (komutatör) sisteminin kalkması, sürtünme ve fırça- kolektör bunların oluşturduğu dirençten ötürü meydana gelen elektrik mekanik  kayıpları ortadan kaldırır. Bu tasarım mekanik olarak denetlenmediğinden ve bobinlerin sayısının arttılırmasına müsaade ettiği için fırçasız doğru akım motorlarından yüksek tork alınır.

Motorun çalışması için ek donanım olarak elektronik bir devre ile sargı üstüne gelen akımı kontrol etmektir. Bu dezavantajdır. Fırça – kolektör (komutatör) sistemiyle sağlanan karmaşık ateşleme sistemi dış devrelerce yapılmalıdır. Bu motoru kullanacak kişilere ek masraf açar. Ancak aynı güçte olan bir motora kıyasla küçük, hafif olması, devir  kontrolünün yapılabilmesi masrafı azaltabilir.

Fırçasız dc motorlarla, step motorları arasındaki fark; fırçasız motorlarda, rotorun yerinin bilinmesi için endüvi (rotor) konum sensörünün kullanılmasıdır. Konum sensörleri ile rotorun yerini algıladıktan sonra hangi sargıya hangi yönde bir enerji uygulanacağına  karar verilir.

Fırçasız DC Motor Çeşitleri

Fırçasız 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 toklarının daha yüksek olmaları sebebi ile uçan projelerde (helikopter,quadrotor,uçak..) daha sık olarak kullanılırlar.

Bu projelerde kullanılan outrunner motorlar ESC (Electronic Speed Controller) denilen elemanlar tarafından kontrolleri yapılır. 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 vesensörsüz 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 hiç bir kayıp güç meydana gelmez.

Sensörsüz fırçasız motorlar yaygın olarak bulunan motorlardır. ESC’ler bobine gönderilen dalganın değiştirileceğine, akım yollanmamış bobinde meydana gelen elektrik sinyali ile (indüksüyon akımıyla meydana gelen sinyal) karar verirler. Sensörsüz motorlar sensörlü motorlar kadar yüksek hızlara ve ivmelere ulaşmazlar.

Brushless motorların robotikte kullanım alanları; Bu motorlar fırçalı motorların kullanıldığı bütün ortamlarda kullanılır. Bunun yanında motor komütatörlerinden meydana gelebilecek arkların (kıvılcımların) tehlike meydana getirdiği sistemlerde, daha yüksek enerji yoğunluğu gerektiren işlerde, yüksek hız isteyen sistemlerde kullanılırlar.

Motor Çalışma Voltajları

Brushless motorların elektronik devreleri de olduğundan 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.

Motorun sualtında çalıştırılması; fırçasız motorlarda herhangi bir mekanik kontak olmaması sebebi ile bağlantı noktalarında gerekli izolasyon yapılırsa motorlar sualtında da çalıştırılabilir. Tuzlu su motor bobin tellerine korozif etki yapar ve telleri paslandırır.

Motorlarda uzun ömür; Brushless bir motorda komütatör fırçaları olmadığından ilk eskimesi beklenen sistemler motor şaftına destek olan bilyalardır.  Bilyalar uzun ömürlü olduğundan fırçasız motorlar da uzun ömürlüdür.

Brushless motorların maliyeti; 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 meydana gelir.

• 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

Genel olarak  firmalar imal ettikleri ESC’ lerden laboratuvar şartlarında elde edebildikleri yüksek değerleri etiketlerine yazarlar. Mesela 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 problem 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.