Minyatür akışkan kontrol endüstrisinde fırçasız motorlar, minyatür su pompaları ve minyatür vakum pompaları da dahil olmak üzere ana akım ekipmanların temel güç kaynağıdır. Küçük solenoid valfler, otomatik akış düzenlemesini sağlamak için motorlarla birlikte çalışır. Son zamanlarda birçok ekipman alıcısı BLDC performansına odaklandı; bu nedenle, bu yüksek verimli motora ilişkin temel bilgileri ortaya çıkarmak için serileştirilmiş bir popüler bilim makalesi yayınlıyoruz.
Yüksek verimli motorların prensiplerini ve uygulamalarını anlamak: Elektrik motorları, sağlanan elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür. Çeşitli tipte elektrik motorları yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunlar arasında fırçasız DC motorlar (BLDC) oldukça verimlidir ve mükemmel kontrol edilebilirliğe sahiptir ve birçok uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır. Diğer motor türleriyle karşılaştırıldığında BLDC motorların enerji tasarrufu avantajları vardır.
Elektrik motorları elektrik iletim makineleridir.
Mühendisler, mekanik görevleri yerine getirecek elektrikli ekipman tasarlama zorluğuyla karşılaştıklarında, elektrik sinyallerinin nasıl enerjiye dönüştürüldüğünü düşünebilirler. Bu nedenle aktüatörler ve motorlar elektrik sinyallerini harekete dönüştüren cihazlar arasındadır. Motorlar elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür.
En basit elektrik motoru fırçasız DC motordur. Bu tip motorlarda akım, sabit bir manyetik alan içerisine yerleştirilen bobinlerden akar. Akım, bobinlerde manyetik bir alan oluşturur; bu, her bir bobin kendi kutbundan uzağa itilirken ve sabit manyetik alanın bir kutbuna doğru çekilirken bobin düzeneğinin dönmesine neden olur. Dönmeyi sürdürmek için akımın sürekli olarak tersine çevrilmesi gerekir, bu da bobin polaritesinin sürekli olarak tersine dönmesine neden olur, bu da bobinlerin karşıt manyetik alanın kutbunu "kovalamaya" devam etmesine neden olur. Bobinlere giden güç, dönen komütatörle temas eden sabit iletken fırçalar tarafından sağlanır; komütatörün dönmesi akımın bobinlerden ters yönde akmasına neden olur. Komütatör ve fırçalar, fırçalı DC motorları diğer motorlardan ayıran temel bileşenlerdir.
Şekil 1, fırçalanmış bir DC motorun genel prensibini göstermektedir.
Şekil 1, fırçalanmış bir DC motorun genel prensibini göstermektedir.
Şekil 1: Fırçalanmış bir DC motorun çalışması.
Sabit fırçalar dönen komütatöre elektrik enerjisi sağlar. Komütatör döndükçe, bobinlere akan akımın yönünü sürekli olarak tersine çevirir, böylece bobinlerin polaritesi tersine çevrilir ve sağa dönmeleri sağlanır. Komütatör, üzerine bobinlerin monte edildiği bir rotora bağlı olduğu için döner.
Ortak Motor Tipleri
Motorlar güç tiplerine (AC veya DC) ve dönüş üretme yöntemlerine göre farklılık gösterir (Şekil 2). Aşağıda her türün özelliklerini ve uygulamalarını kısaca tanıtıyoruz.
Şekil 2: Farklı Motor Tipleri
Fırçalı DC motorların tasarımı basittir, kontrol edilmesi kolaydır ve disk tepsilerini açmak ve kapatmak için yaygın olarak kullanılır. Otomobillerde genellikle elektrikli yan camların geri çekilmesi, uzatılması ve konumlandırılması için kullanılırlar. Bu motorların düşük maliyeti onları birçok uygulama için uygun kılmaktadır. Ancak bir dezavantaj, fırçaların ve komütatörün sürekli temastan dolayı nispeten hızlı bir şekilde aşınma eğiliminde olması ve sık sık değiştirme ve düzenli bakım gerektirmesidir.
Adım motorları darbelerle çalıştırılır; Alınan her darbe için belirli bir açıyla (adımlarla) döner. Dönme işlemi tamamen alınan darbe sayısıyla kontrol edildiğinden, bu motorlar konum ayarlaması için yaygın olarak kullanılır. Genellikle faks makinelerinde ve yazıcılarda kağıt besleme sürecini kontrol etmek için kullanılırlar; çünkü bu cihazlar kağıdı sabit adımlarla besler ve bu adımlar darbe sayısıyla kolayca ilişkilendirilir. Darbe sinyali kesildiğinde motor dönüşü anında durduğu için duraklatma kontrolünün uygulanması da kolaydır.
Senkron motorlar kullanıldığında dönüş, güç kaynağı akımının frekansı ile senkronize edilir. Bu motorlar genellikle mikrodalga fırınlardaki döner tepsileri tahrik etmek için kullanılır; Motor ünitesindeki redüksiyon dişlileri yiyeceği ısıtmak için uygun dönüş hızını sağlar. Asenkron motorlarda dönme hızı frekansa göre değişir ancak hareketleri asenkrondur. Geçmişte bu motorlar yaygın olarak elektrikli fanlarda ve çamaşır makinelerinde kullanılıyordu.
Yaygın olarak kullanılan çeşitli motor türleri vardır; bu bölümde fırçasız DC motorların avantajlarına ve uygulamalarına bakacağız.
BLDC motorları neden dönüyor?
Adından da anlaşılacağı gibi fırçasız DC motorlarda fırça kullanılmaz. Fırçalı motorlarda fırçalar, akımı bir komütatör aracılığıyla rotor üzerindeki bobinlere aktarır. Peki fırçasız bir motor, rotor bobinlerine akımı nasıl aktarır? Yok—çünkü bobinler rotorun üzerinde yer almıyor. Rotor kalıcı bir mıknatıstır; bobinler dönmez ancak statora sabitlenir. Bobinler hareket etmediği için fırçalara ve komütatöre ihtiyaç duyulmaz. (Bkz. Şekil 3) Fırçalı motorlarda, sabit mıknatısın oluşturduğu manyetik alan sabit kalırken, rotor üzerindeki bobinlerin oluşturduğu manyetik alanın kontrol edilmesiyle dönüş sağlanır. Dönme hızını değiştirmek için bobinlerdeki voltajın değiştirilmesi gerekir. Bir BLDC motorda kalıcı mıknatıs döner; Dönme, çevredeki sabit bobinler tarafından oluşturulan elektromanyetik alanın yönünün değiştirilmesiyle sağlanır. Dönüşü kontrol etmek için bu bobinlere akan akımın büyüklüğünün ve yönünün ayarlanması gerekir.
Şekil 3: BLDC Motoru.
Rotor kalıcı bir mıknatıs olduğundan akım gerektirmez, dolayısıyla fırça ve komütatör ihtiyacını ortadan kaldırır. Sabit bobinlere giden akım harici olarak kontrol edilir.
BLDC Motorların Avantajları
Statorunda üç bobin bulunan bir BLDC motorda, bu bobinlerden uzanan altı kablo (her bobin için iki adet) bulunur. Çoğu uygulamada, bu kablolardan üçü dahili olarak bağlanacak ve geri kalan üçü motor gövdesinden uzanacaktır (daha önce açıklanan fırçalı motorun iki kablosunun aksine). Bir BLDC motorun kasası içindeki kablolama, bir güç kaynağı ünitesinin pozitif ve negatif terminallerini basitçe bağlamaktan daha karmaşıktır; bu motorların çalışmalarını bu serinin II. Kısmında daha detaylı inceleyeceğiz. Aşağıda BLDC motorların avantajlarını anlayarak sonuca varıyoruz.
Bu motorlar sürekli olarak maksimum torkta çalışabildiğinden önemli bir avantaj verimliliktir. Bunun aksine, fırçalı motorlar maksimum torka yalnızca belirli dönme noktalarında ulaşabilir. Fırçasız motorla aynı torku sağlamak için fırçalı motorlar daha büyük mıknatıslara ihtiyaç duyar. Bu nedenle küçük BLDC motorlar bile önemli miktarda güç sağlayabilir.
Birinciye bağlı ikinci büyük avantaj ise kontrol edilebilirliktir. BLDC motorlar, gerekli tork ve hızı tam olarak sağlayan geri bildirim mekanizmaları aracılığıyla kontrol edilebilir. Hassas kontrol, enerji tüketimini ve ısı üretimini azaltır ve motorun pille çalıştırıldığı durumlarda pil ömrünü uzatır.
Fırça olmadığından BLDC motorlar aynı zamanda yüksek dayanıklılık ve düşük elektriksel gürültü üretimi sunar. Fırçalı motorlarda fırçalar ve komütatör, sürekli hareket eden temas nedeniyle aşınır ve temas noktalarında kıvılcımlar oluşur. Özellikle elektriksel gürültü, fırçalar komütatör boşluğundan geçerken kolaylıkla üretilen güçlü kıvılcımlardan kaynaklanır. Bu nedenle BLDC motorlar, elektriksel gürültünün önlenmesi gereken uygulamalarda genellikle daha iyi bir seçim olarak kabul edilir.
BLDC Motorların İdeal Uygulamaları
BLDC motorların yüksek verim ve kontrol edilebilirlik sunduğunu, uzun ömürlü olduklarını gördük. Peki bunların kullanım alanları nelerdir? Verimlilikleri ve ömürleri nedeniyle sürekli çalışan ekipmanlarda yaygın olarak kullanılırlar. Uzun süredir çamaşır makinelerinde, klimalarda ve diğer tüketici elektroniklerinde kullanılmaktadırlar; Son zamanlarda, yüksek verimliliklerinin güç tüketimini önemli ölçüde azalttığı fanlarda da ortaya çıktılar.
Ayrıca vakum makinelerini sürmek için de kullanılırlar. Bir durumda, kontrol programındaki bir değişiklik, hızda dramatik bir artışa neden oldu; bu, bu motorların sunduğu yüksek düzeyde kontrol edilebilirliğin bir örneğidir.
BLDC motorlar aynı zamanda sabit disk sürücülerini sürmek için de kullanılır; dayanıklılıkları sürücülerin uzun süreler boyunca güvenilir bir şekilde çalışmasına olanak tanırken, güç verimlilikleri giderek önemi artan bir sektörde enerji tüketiminin azaltılmasına yardımcı olur.
Daha Geniş Gelecekteki Uygulamalara Doğru
Gelecekte BLDC motorların daha geniş bir uygulama yelpazesinde yaygın olarak kullanılmasını bekleyebiliriz. Örneğin, imalat dışındaki sektörlerde hizmet sağlayan küçük robotlar olan hizmet robotlarını yönlendirmek için yaygın olarak kullanılabilirler. Darbelerin hassas konumlandırma kontrolü için kullanılabilmesi nedeniyle adım motorlarının bu tür uygulamalar için daha uygun olduğu düşünülebilir. Ancak BLDC motorlar kuvveti kontrol etmek için daha uygundur. Step motorların kullanılması, robot kolları gibi yapıların konumunun korunması nispeten büyük ve sürekli akım gerektirir. BLDC motorlarda gerekli akım harici kuvvetle orantılıdır ve bu da enerji açısından daha verimli kontrol sağlar. BLDC motorlar ayrıca golf arabaları ve mobil araçlardaki basit fırçalı DC motorların yerini alabilir. Daha yüksek verime ek olarak, BLDC motorlar daha hassas kontrol sunar ve bu da pil ömrünü daha da uzatabilir.
BLDC motorlar drone'lar için de idealdir. Hassas kontrol sağlama yetenekleri, onları özellikle çok rotorlu drone'lar için uygun hale getiriyor ve her rotorun dönüş hızını kontrol ederek drone'nun tutumunun hassas şekilde kontrol edilmesine olanak tanıyor.
