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.

BLDC Motor Hall Sensörü ve Konum Kontrolu Notu

Fırçasız DC motorların hassas kontrolü, rotor konumunun gerçek zamanda algılanmasına bağlı olup, bu görev tıpkı karımsıfının elektrik kontakçısı gibi hizmet eden Hall sensörü tarafından sağlanır. Rotor sabit mıknatısının kutup konumu değiştikçe ayrı 3 Hall sensörü verilerinin (A, B, C) dizi bölümü oluşturarak 6 farklı konuma ayrıyor; bu her biri 60°’lik (elektrik derecesi) çözünürlüğe sahip.

PWM modülasyonunun uygulandığı hız kontrolı atı rotasyon elde etmek için Hall sinyal dizisinin bir önceki ve sonraki durumunun 20-40 mikrosaniye içinde değişmesi gerekir; aksi takdirde motorun “cogging” etkisi (sarsıntılı hareketi) artar. Mekanik yöntemin komütatör olmadan, tamamı elektrik haberleşmesiyle yönetildiği için BLDC motorlar indükleme özelliği azaltılmıştır; bununla birlikte sürücü entegresi (DRV8833 gibi) H-bridge mimarisini kullanarak 120° komütasyon aralığına göre bobinlere enerji verilir. Sıcak ortamlarda (<50°C) Hall sensörleri skala kayması riski taşıdığı için, optoelektronik pos koderlerinin kullanılması sulandırılmış uygulamalar için tavsiye edilir; hassas hız kontrolü (-3% ile +3% hata oranı) elde etmek için feedback loop zamanı 1-5ms olarak sabitlenmesi geçerli kulınır.

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.