Fırçasız AC Servo Motorlar
Bilindiği üzere hareket kontrol uygulamalarında yıllardır başarılı bir şekilde
fırçalı tip sabit mıknatıslı motor kullanılagelmektedir. Göreceli olarak daha düşük maliyetli olmasından ve
üretiminin diğer motorlara göre nispeten daha kolay olmasından dolayı günümüzde de büyük bir pazar payına sahip
olan fırçalı tip servo motorlar artık yavaş yavaş yerlerini fırçasız tip motorlara bırakmaya başladı.
Klasik fırçalı motorlar aşağıda belirtilen dezavantajlara sahiptir
- Yüksek ataleti nedeniyle maksimum hız ve hızlanma sürelerinde kısıtlama
- Bakım gereksinimi
- Oluşan iç ısının rulman ve dolayısıyla motor arızalarına neden olması
- Kömürler üzerinde oluşan arklar sebebiyle elektriksel ve duyulabilir gürültülerin oluşması
70’li yılların ardından uzay ve savunma sistemlerindeki teknolojik atılımlara
bağlı olarak ortaya çıkan 2 temel gelişme endüstriyel uygulamalarda da fırçasız motor kullanımının kabul
görmesinin önünü açmıştır.
- Yüksek manyetik güce sahip mıknatısların kullanılmasının motorların boyut, ağırlık ve dolayısıyla motor hızlarında oluşturduğu artış
- Yarıiletken teknolojisinin gelişimine bağlı olarak güç mosfetlerinin geliştirilmesi ile anahtarlama kayıplarının azalması, farklı besleme voltajlarında kullanılabilirlik
Fırçasız servo motor ve sürücülerinin geliştirilmesi ve üretilmesinin
sağlayacağı avantajları ise şöyle sıralayabiliriz:
- Rotor ataletinin daha düşük olmasına bağlı olarak motor hızlarında artış, hızlanma ve duruş sürelerinde düşüş olarak karşımıza çıkan yüksek performans
- Motor içerisinde kömür kullanımı olmamasından dolayı periyodik olarak kömür değişimi gerekmez. Kömür tozu oluşmaz, daha da önemlisi kömür üzerinde elektrik iletimi sırasında ark meydana gelmez. Motorlar daha az bakım gerektirir. Bu nedenle servo motorlar kullanıcısına daha çok güven verir.
- Servo motorların gövdeleri genelde ısı atışını artırmak maksadıyla çok kanallı olarak yapılır. Fırçasız servo motorlarda sargıların stator kısmında olması dolayısıyla çok daha iyi soğutma şartlarının oluşması sağlanır.
- Fırçasız tip motorlarda, tipik fırçalı tip motorlarda kömür ve kolektör arasında oluşan ark tehlikesi olmaması sayesinde elektriksel gürültünün olmaması dolayısıyla elektromanyetik girişimin azalması sağlanmış olur.
- Kullanılan mıknatıs yapısına bağlı olarak daha küçük gövdelerde daha yüksek güçler elde edilebilir.
Fırçasız Motorun Temel Yapısı
Şekil 1’de görülen yapı fırçasız motora ait en temel gösterimdir.
Fırçasız motorun rotoru üzerinde motor kutup sayısına bağlı olarak mıknatıslar bulunmaktadır. Bu mıknatıslar,
stator sargılarının belli bir düzen içinde enerjilendirilmesi ile sağlanan manyetik alan ile etkileşerek dönüş
hareketinin oluşmasını sağlar.
Şekil 1: Fırçasız Motor Yapısı
Genel olarak stator sargıları 120º faz farkı ile yerleştirilmiş 3 fazlı “Y” bağlantı yapısında olur.
Şekil 2: Stator Yapısı
Stator sargılarının tek tek enerjilendiğini varsayarsak fırçasız motorun çalışmasını
şöyle açıklayabiliriz:
Şekil 1’de görülen R sargısına enerji uygulandığında N kutbu oluşur. Rotor üzerindeki mıknatısın S kutbu,
sargı tarafından oluşturulan N kutbunu yakalamak için döner. N ve S kutupları karşılıklı geldiğinde ise hareket
tamamlanır ve motor durur. R sargısının enerjisi kesilir ve ardından S sargısına enerji verilirse, rotor S sargısının
oluşturduğu N kutbunu yakalamak üzere tekrar dönemeye başlayacaktır.
Gerçek bir fırçasız motorda ise yukarıda anlatıldığı gibi sargılar tek tek enerjilendirilmez.
En az iki veya üç sargı aynı anda kontrollü olarak enerjilendirilerek rotorun dönüş torku en yüksek
seviyede tutulmaya çalışılır. Bu sayede tork dalgalanmaları da önlenmiş olur. Sargıların bu şekilde kontrollü
olarak enerjilendirilmesi “elektronik komütasyon” olarak adlandırılmaktadır.
Peki motor hangi sargının enerjilendirilmesi gerektiğini nereden anlayacak? İşte tam bu noktada, elektronik komütasyon
işlemini otomatik olarak, rotor pozisyonunu her an izleyerek gerçekleştiren sürücüler işin içine girmektedir.
Rotorun bir an için hangi pozisyonda olduğu bilgisi ise “hall sensör” olarak adlandırılan sensörler vasıtasıyla alınır.
Hall sensörlerde stator üzerine stator sargıları gibi 120º açıyla yerleştirilirler. Bu hall sensörler mıknatısa duyarlı
olup, rotor üzerinde bulunan ve sensör olarak çalışacak küçük bir mıknatısın geçişini algılar. Bu geçişler sürücü tarafında
değerlendirilerek hangi sargının enerjilendirileceğine karar verir.
Şekil 3: Genel Kontrol Şeması
Şekil 4’ten de görüleceği gibi bileşke stator manyetik alanı ile rotorun oluşturacağı
manyetik alan arasındaki açı 90º olduğunda üretilen tork en yüksek değerde olur. Bu nedenle çok kutuplu motorlardan en
yüksek tork değerinin elde edilebilmesi için sargılara verilen enerjinin elektronik komütasyon ile enerjilendirilme sırası
kontrol edilerek aradaki açı 90º de tutulmaya çalışılır.
Şekil 4: Stator Manyetik Alanı - Tork İlişkisi
Şekil 5: Stator Manyetik Alanı - Tork Manyetik Alanı
Fırçasız AC motorlarda ise sargıların enerjilendirilmesi yüksek frekanslı 120 º faz farkına
sahip sinüsoidal akımlar kullanılarak yapılır. Bu tip motorlarda düşük devirlerde de düzgün ve yüksek torklu dönüşler elde
edebilmek için yüksek çözünürlüğe sahip geribesleme sensörleri kullanılması gerekmektedir. Sürücünün, rotorun dönüşü sırasında,
her noktada motora uygulayacağı enerjiyi hesaplayıp sargılara vermesi gerekmektedir. Yüksek hassasiyet gereksinimi nedeniyle
sadece hall sensörlerin haricinde dahili hall sinyallarini oluşturan yapıya sahip enkoderler veya resolver’lar kullanılmaktadır.
Bu sayede hem çok hassas hız kontrolü hem de minumum seviyede tork dalgalanması sağlanmış olur.
Konu anlatımını içeren Pdf dökümanına aşağıdaki linkten ulaşabilirsiniz