Fırçasız DC Motor Nedir?

Brushless ( fırçasız) motorlarda fırça ve kollektör bulunmaz bu nedenle bu motorlara fırçasız motor denir. Fırçasız (Brushless) BLDC motor, teknolojinin gelişmesiyle robotik alanda da kullanılmaya başlanmıştır. Yeni bir tip motor olmalarına karşın her ortamda karşılaşmak mümkündür. (Fırçasız) Brushless DC’nin kısaltması BLDC olarak da kaleme alınır.

Fırçasız DC Motor Nedir?

Normal DC motorların, özellikleri ve kullanılabilirlik açısından geniş bir kullanıldığı alanlar vardır. Buna rağmen fırça ve komütatöre bağımlı olması sebebiyle bazı ortamlarda kullanılma alanlarını daraltmıştır. Fırçalar aşındıkları için zaman içerisinde bakım gerektirir. Bu durumda bakıma gereksinimi olan bir motorun disket ya da CD sürücü gibi sabit dönme sayısı istenilen ortamlarda kullanıldığında, ilerleyen zaman içinde dönme sayısında bir değişiklik olur. Fırça ve komütatörün yerini yarı iletken anahtar aldığı zaman fırçasız (brushless) DC motorlar meydana gelir. Bu motorların rotor kısmında kuvvetli doğal mıknatıs kullanılıyor. Statorda ise bobinli sargıları mevcuttur. Brushless dc motor değişen teknoloji ile beraber pek çok alanda olduğu gibi robot projelerinde kullanım alanı bulmuştur. Standart motorlara göre yeni sayılabilecek bir motor teknolojisi olmalarına karşın çağımızda fırçasız motorlarla her ortamda karşılaşılmaktadır.

Fırçasız DC Motor Nasıl Çalışır?

Fırçasız DC motorlar, fırçalı DC motorlarla aynıdır. Çalışırken gösterdiği farklılık, rotor üzerinde bobin olmaması, sabit mıknatısların rotor üzerinde olması, endüktör bobinlerinin gövde üstüne sabit olmasıdır. Fırçasız DC motorlarda endüktör ve rotorun yeri değişmiştir. Fırçasız DC motorların yararı; kolektör (komutatör) sisteminin kalkması, sürtünme ve fırça- kolektör bunların oluşturmuş olduğu 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 üzerine gelen akımı kontrol etmektir. Bu dezavantajdır. Fırça – kolektör (komutatör) sistemi ile 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 Yapısı

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

Stator

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 ya da optik sensör adı verilen alan etkili sensörlerle gerçekleştirilir. Fırçasız dc motorda rotor endüktörün içerisine ve dışına yerleştirilir. Fırçasız DC motorda endüktör, birbirine sıkıştırılan ince çelik plakaların meydana getirdiği yarıklara sarılan sargılardan meydana gelir. Bir ya da birkaç bobin birbirini dik kesecek şeklinde 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 daima 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

Sabit mıknatıslı rotorun kutup sayısı iki-sekiz arasında değişir. Rotorda istenilen 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 içine yerleştirlmiş kalıcı mıknatıs, rotor oyuklarına yerleştirilmiş kalıcı mıknatıslardan meydana gelen tipleri vardır.

Fırçasız DC Motor Çeşitleri

Fırçasız motorlar iç yapılarına göre ikiye ayrılır;

Outrunner Brushless Motor

Outrunner motorlarda, inrunner motorların tam tersine bir mekanik düzenleme vardır. Motorun rotoru dış kısımdadır. Yani motorun gövdesi döner sabit kısımsa içerdedir. Soğutulmaları bobin kısmının merkezde olması sebebiyle daha zordur. Outrunner motorların hızlarının daha düşük toklarının daha yüksek olmaları nedeni ile uçan projelerde (helikopter,quadrotor,uçak..) daha sık olarak kullanılırlar.

Inrunner Brushlesss Motor

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

Motor Çalışma Voltajları

Fırçasız 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; Fırçasız bir motorda komütatör fırçaları olmadığından ilk eskimesi beklenen sistemler motor şaftına destek olan bilyalardır.  Bilyalar uzun ömürlü olduğundan fırçasız motorlar da uzun ömürlüdür. Fırçasız motorların maliyeti; günümüzde fırçasız motor imalatı, standart fırçalı motorlara göre daha ucuza olmasına karşın brushless dc motor fiyatları daha pahalıdır.