Fırçasız Motorlar Nasıl Çalışır ve Nasıl Test Edilir?

Fırçasız Motorlar Nasıl Çalışır ve Nasıl Test Edilir?

Giriş:

Fırçasız Motorlar ile Bir drone inşa ederken birinci adımlardan biri yanlışsız motoru seçmektir. En uygun performansı elde etmek için birden fazla motoru test etmeniz ve tasarımınız için en verimli olanı seçmeniz kıymetlidir. Drone dizaynında kullanılmak üzere özel olarak üretilmiş birçok elektrik motoru çeşidi de dahil olmak üzere piyasada çok sayıda motor bulunmaktadır. Bu yazımızda yalnızca elektrik motorları üzerinde duracağız ve aşağıdaki bahislere değineceğiz:

• Fırçasız motorlar nasıl çalışır?
• Giriş ve çıkış motorları
• Verimlilik ve performans
• Motor seçimi

Not: Bu makale için motor ve pervane bilgilerini toplamak hedefiyle 1585 Serisi itme standını kullanacağız.

Fırçasız Motor Nasıl Çalışır?

Fırçasız düzeneğin çalışma prensibine geçmeden evvel bileşenlerine bir göz atalım.

Fırçasız Motorun Bileşenleri:

Elektromıknatıslar ve Kalıcı Mıknatıslar:

Metalik bir tabanın etrafına sarılmış iletken bir tel, mıknatıs üzere davranmaz, lakin telden bir akım geçtiğinde, telin mıknatıs üzere davranmasına neden olur. Buna çoklukla elektromıknatıs denir. Birebir telden negatif bir akım akarsa, mıknatıs artık aksi tesire sahip olur; öteki bir mıknatısı itmek yerine çeker.

Rotor ve Stator:

Şekil 3’ün iç çemberinde görülen kısımlar elektromıknatıslardır, dış çemberde ise kalıcı mıknatıslar bulunmaktadır. Motoru çalıştırmak için, bobinlerine elektrik akımı vererek elektromıknatıslardan birini etkinleştirirsiniz. Bu, kalıcı mıknatıs benzeri elektromıknatıs tarafından itilmeye maruz kaldığında ve stator üzerindeki aksi bir kalıcı mıknatısla hizalanmaya çalıştığında rotorun dönmeye başlamasını sağlayacaktır.

Bu, elektromıknatıs ve aykırı kalıcı mıknatıs hizalandığından sırf kısa bir mühlet dönmesine neden olacaktır. Bir sonraki adım, dönüşün durmasını önlemek için diğer bir elektromıknatısa güç vermek, akabinde bir sonraki elektromıknatıs ve bir sonraki adım, vb.

Belirli bir frekansta üç fazlı bir akım iletildiğinde motor, o sinyalin frekansına eşit bir süratte dönecektir. Drone’un denetim ünitesindeki gaz kelebeği, motorun suratını değiştirmek için kullanılır; daha yüksek bir gaz kelebeği girişi, drone’a daha yüksek frekanslı bir sinyal gönderir. Elektronik Sürat Denetim Aygıtı (ESC), gaz kelebeği girişine nazaran motorun suratını ayarlamak için sinyal dağıtımını denetim eder.

ESC’nin Rolü Nedir?

Bir ESC yahut Elektronik Sürat Denetim Aygıtı, surattaki değişikliklere ve hatta dönüşün bilakis çevrilmesine dönüşen elektrik sinyallerini ileterek elektrik motorunu denetim eder. Alternatif bir üç fazlı akım elde etmek için bir anahtar sistemi ile birleştirilmiş gerçek akımı kullanır. Bu çıkış akımı daha sonra devredeki anahtarların açılma ve kapanma suratı değiştirilerek değiştirilebilir.

Fırçasız ESC’ler, motoru çalıştırabilmek ve dönüş istikametini seçebilmek için rotorun mevcut pozisyonu hakkında bilgiye muhtaçlık duyar. Pozisyonunu belirlemek için ESC, endüksiyonunu ölçmek için güç verilmeyen son elektromıknatıstan gelen bilgiyi kullanır. Bu indüksiyon, en yakın kalıcı mıknatısın nerede olduğuna bağlı olarak değişir ve elektromıknatısa ne kadar yakınsa indüklenen manyetik alan o kadar güçlü olur.

Gaz kelebeği motorun suratını değiştirmek için kullanılır. Bunu yapmak için ESC’nin gaz kelebeği sinyaline nazaran anahtarlama frekansını ayarlaması gerekir. Farklı performanslara sahip çeşitli sinyal dağıtım protokolleri vardır; en yaygın olanları Oneshot, Multishot ve Dshot’tır.

Aralarındaki fark, iletilen sinyallerin frekansıdır. Daha kısa frekanslar daha süratli tepki müddetine müsaade verir. Ayrıyeten Dshot protokolü analog sinyal yerine dijital sinyal göndermesi nedeniyle öteki iki protokolden farklıdır. Bu, elektriksel gürültüye karşı daha az hassas olduğundan ve daha yüksek çözünürlüğüyle daha hassas olduğundan sinyali daha muteber hale getirir.

Inrunner veya Outrunner

Prensip:

Her fırçasız motor, stator ve rotor olmak üzere iki ana kesimden oluşur. Stator statiktir, hareket etmez ve elektromıknatısları fiyat. Rotor, kalıcı mıknatısları tutan dönen bileşendir. İki tip Fırçasız DC motor vardır: Inrunner ve outrunner modelleri.

Çalıştırıcı motorlar için rotor, statorun ‘içinde’ yahut motor korumasına nazaran daha içeriye hakikat döner. Rotor statorun ‘dışarısında’ yahut daha da dışarıya gerçek döndüğünden, dıştan koşucu motorlar tam aksisi bir tertibe sahiptir, bkz. form 6. Her iki modelin de artıları ve eksileri vardır.

Aynı boyuttaki bir iç koşucu ve bir dış koşucu karşılaştırıldığında, kuvvetlerin uygulandığı çapın farklı olduğunu görmek kolaydır. Bunun nedeni, elektromıknatısların, kalıcı mıknatısları taşıyan rotordan çok daha fazla yer kaplamasıdır. Elektromıknatıslar içeride bulunuyorsa çap, dışarıya yerleştirildiklerine nazaran daha büyüktür (şekil 6).

Boyutun yanı sıra motor performansına ait sonuçların da dikkate alınması değerlidir. Daha büyük çap daha fazla tork manasına gelir zira kuvvet dönüş merkezinden daha uzağa uygulanır; daha küçük çap ise yüksek devir/dakika için daha âlâ olur. Bu nedenle, koşucular yüksek süratte en güzel halde çalışır fakat daha az tork üretirken, outrunner’lar daha büyük pervanelerle en düzgün biçimde çalışır zira daha fazla tork üretebilirler fakat daha yavaş süratte dönerler.

Drone Kesiminde Fırçasız Motorlar:

Yukarıda açıklanan nedenlerden ötürü eVTOL’ler, yüksek torkları nedeniyle sıklıkla dikey itme için dış koşucular kullanır. Koşucular daha çok kanallı fan jetleri yahut sabit kanatlı uçaklar için ve yüksek RPM gerektiren yatay hareketler için kullanılır. Bunu, bir motorun RPM/Volt bedeli olarak da bilinen Kv kıymeti aracılığıyla anlamak kolaydır.

Bu kıymet, üzerinden 1 V gönderildiğinde motorun hangi süratte döneceğini belirler. Bu nedenle, bir giriş koşucusu tipik olarak tıpkı boyuttaki bir çıkış koşucusundan daha yüksek bir Kv bedeline sahiptir zira üstte belirtildiği üzere giriş koşucu birebir voltaj için daha süratli dönen daha küçük bir rotora sahiptir. Fırçasız motorlara göz atarken sıklıkla birinci olarak Kv kıymetinin görüntülendiğini göreceksiniz.

Verimlilik ve Performans

Bir drone’un performansından bahsederken birçok vakit uçuş müddetini düşünürüz. Ne yazık ki en gelişmiş akü teknolojileri ağırlık/enerji oranı açısından gaz motorlarıyla rekabet edemiyor. Tek tahlil, akü şarjını en verimli halde kullanacak elektrik bileşenlerini dikkatli seçmektir.

Bir pilin güç tüketimini birçok faktör optimize edebilir. Bu faktörlerden biri motorun verimliliğidir. Daha yüksek verimlilik, ağırlık/enerji oranının artmasına yardımcı olur, böylelikle motordan ve drone’dan daha yüksek performans elde edilir. Bir motorun test edilmesi, üreticinin spesifikasyonları ile motorun kalitesi ortasındaki farkların farkında olmak açısından çok kıymetlidir. Bu fikri göstermek için, farklı fiyat aralıklarına sahip iki benzeri BLDC motorun karşılaştırmasını sunuyoruz.

Motorların performansını karşılaştırmak için RCbenchmark Series 1580 itme standını kullandık. İtki, tork, voltaj, akım, RPM ve verimliliği ölçebilir. Data toplama RCbenchmark yazılımı kullanılarak yapılır. Test edilen iki motor sırasıyla 1500 Kv ve 2300 Kv T2407’lerdir. Her iki motor da birebir 7 inçlik pervaneyi 4 adımla döndürüyor.

Şekil 7’deki birinci grafik, gaz kelebeğine kıyasla her iki motorun verimliliğini göstermektedir. İkinci grafik makul suratlardaki verimliliği göstermektedir. Açıkçası, daha küçük 1500 Kv motorun verimli çalışması için daha fazla gaza muhtaçlığı vardır. Tıpkı pervane ile bu heyetimde 2300 Kv motorla tıpkı randımanı elde edemeyecektir. Verimlilik aralığı da 2300 Kv motorda daha yeterlidir, bu da motorun hem düşük hem de azamî süratte yüksek verimliliği koruduğu manasına gelir.

Öte yandan, daha küçük Fırçasız Motorlar daha yüksek süratte çalışabilir ve daha küçük bir pervaneyle muhtemelen daha verimli olabilir. Taşıma için kullanılan bir drone, düşük süratte boşta ve sabit kalabilmek için daha küçük bir motor kullanacaktır.

Tam bir karşılaştırma yapabilmek için drone’un hedefini ve çalışacağı RPM’yi bilmemiz gerekir. 1500 Kv motorun farklı bir işleve uygun farklı bir pervane ile daha verimli olması mümkündür. Bunu fakat test yaparak öğrenebiliriz.

Motor Seçimi

Son olarak motor seçerken nelere dikkat edilmesi gerektiğinden bahsedelim. En değerli karakteristik, motora güç girişi için elde ettiğiniz dönüş suratını tanımlayan motor Kv’dir. 2000 Kv’lik bir motor, motora gönderilen her volt için dakikada 2000 bölümle dönecektir.

Boyut Kv ile yakından bağlantılıdır. Geniş ve büyük bir motor çoklukla daha yüksek torka sahip olur lakin daha düşük Kv’ye sahip olur ve daha büyük bir pervane kullanır; ince lakin daha uzun bir motor ise yüksek Kv’ye, düşük torka sahip olur ve küçük bir pervane için en uygunudur. Daha büyük bir motorun daha düşük RPM’de çalıştığını, küçük bir motorun ise nispeten yüksek RPM’de çalıştığını düşündüğünüzde bu mantıklıdır.

Bir motorun azamî gücü de dikkate alınması gereken bir şeydir. Motorun güç sınırlamasının aşılması, motorun ısınmasına ve münasebetiyle verimliliğinin kıymetli ölçüde azalmasına ve hatta hasar görmesine neden olabilir. Marka birebir vakitte bir motorun performansını da değiştirebilir. Birebir Kv pahası için bir markanın motoru başkalarından daha yeterli performans gösterebilir. Bu yüzden etrafına bir drone kurmadan evvel motorunuzu test etmelisiniz.

Genel bir kural olarak, Fırçasız Motorlar çok güçlenme ve çok ısınma tehlikesi olmadan mümkün olan en küçük (en hafif) motoru kullanmak makul olacaktır. Bunun nedeni ise muhtaçlık duyulandan büyük olan bir motorun fazla tartısını azaltmaktır.

Sonsöz

Fırçasız DC motor, elektrikli tahrik dünyasında oyunun kurallarını değiştiren dahiyane bir buluştur. Kolay ve akıcı dizaynları sayesinde RC otomobilleri ve drone’lar üzere araçların azamî denetimle yüksek verimlilikle çalışmasına imkan tanır.