ÖZEL ELEKTRİK MOTORLARI - pasayosi.weebly.com · otomasyon atÖlyesİ ders notlari mehmet tosuner – kocaelİ anadolu teknİk teknİk ve endÜstrİ meslek lİsesİ elektrİk bÖlÜmÜ

OTOMASYON ATÖLYESİ DERS NOTLARI www.kumanda.org

MEHMET TOSUNER – KOCAELİ ANADOLU TEKNİK TEKNİK VE ENDÜSTRİ MESLEK LİSESİ ELEKTRİK BÖLÜMÜ 1

ÖZEL ELEKTRİK MOTORLARI

Bundan önce gördüğümüz asenkron ve doğru akım motorları endüstride standart işlemler için en çok kullanılan motorlardır. Bir bant, vinç veya havalandırma motorlarının haricinde endüstride çok daha hassas uygulamalar için kullanılan elektrik motorları da bulunmaktadır. Bunlar özel elektrik makineleri başlığı altında toplanarak en çok kullanılanları hakkında bilgi bu ders notunda ele alınmıştır. Asenkron motorların çalışma prensibini hatırlayacak olursak üç fazın gerilim dalga şekillerinin birbirine göre değerleri ve eksi-artı alternans değişimleri sayesinde oluşan döner alanı takip eden rotor manyetik alanı dönme hareketini gerçekleştirmekteydi. Özel elektrik motorları temelde konum kontrolüne dayanır. Bu nedenle dönme momenti bir dizi bobin gruplarının yarı iletken anahtarlama elemanları ile sıralı anahtarlanmasıyla elde edilir. STEP MOTORLAR: Step motorun statoru, üzerine bobinlerin sarılı olduğu elektro mıknatıs kutuplar dan oluşur. Rotorda ise demir veya doğal mıknatıs çıkık kutuplar vardır. Demir rotor kutupları ve stator kutup nüveleri paketlenmiş sacdan imal edilir. Daha önceki bilgilerimizden demirin manyetik geçirgenliğinin havaya göre 1500 ( den fazla ) kat daha iyi olduğunu ve elektro mıknatısın manyetik malzemeleri çektiğini tekrar hatırlayalım. Aşağıdaki şekilde step motorun en temel hali ile çalışma prensibi anlatılmıştır. Statordaki altı adet kutup üzerine bobinler sarılmıştır. Bu bobinlerin bağlantısı karşılıklı olarak N-S kutup çiftini oluşturacak şekilde yapılmıştır. Rotor üzerinde ise dört çıkık kutup bulunmaktadır.

A bobin çiftine enerji verildiğinde kendisine en yakın rotor çıkık kutbunu, kutup hizasına çekerek aynı eksene getirecektir ( Örneğin 1-3 nolu rotor kutupları ). Rotor A kutup eksenine geldiğinde bu sefer B bobin çiftine enerji verelim. Bu durumda 4-2 nolu rotor kutupları B kutup eksenine kadar çekilerek saat ibresi yönünde 30O lik bir hareket elde edilecektir. B bobininden sonra C bobinine enerji verildiğinde bu sefer 3-1 nolu rotor kutupları bu sefer C kutup eksenine doğru bir 30O lik daha hareket gerçekleştirecektir. C bobininden sonra tekrar A bobinine enerji verilecek olursa bu sefer 2-4 rotor kutupları A kutup eksen hizasına gelecektir. Dikkat edilecek olursa A-B-C bobinlerine sıralı enerji vererek rotorun 30 ar derecelik hareketi sağlanmaktadır. Bu anahtarlamaya devam edildiği taktirde dönme hareketi gerçekleşmiş olacaktır. Eğer anahtarlama sırası C-B-A şeklinde tersten yapılacak olursa bu seferde rotor ters yönde dönecektir. Stator kutup sayısı her zaman için rotor kutup sayısından farklı olmak zorundadır aksi taktirde her stator kutbunun altında bir rotor kutbu olacaktır sıralı anahtarlamada çekilecek bir kutup olmayacak ( zaten kutup altında ) ve dönme hareketi gerçekleşmeyecektir.

http://www.kumanda.org



Rotorun dönmesi için içerisindeki bobin gruplarına sıralı enerji verilmesi step motorların sürücülerinin servo motorların sürücülerinden daha basit olmasını sağlar. Ayrıca her anahtarlamada rotorun bilinen bir açıda hareketi bu motorları açık döngü kontrole avantajlı hale getirmektedir. Step motorlar rotor yapı tipine göre Değişen Relüktanslı ( Variable reluctance ) ve Hibrit ( Hybrid ) olarak iki tipe ayrılır. Değişen relüktanslı motor rotoru sac paketi şeklindedir. Moment kutup manyetik alanının rotor kutbunu çekmesi ile oluşur. İsmini kutuplar arasındaki manyetik alan geçirgenliğinin rotor kutuplarının stator kutup ekseninde olmadan önce ve olduğu anda farklı olmasından alır. Burada kutup eksenleri aynı hizaya geldiğinde manyetik geçirgenlik de en yüksek değerine ulaşmaktadır. 15O-30O-45O gibi büyük adım değerlerine sahiptir. Rotoru sabit tutmak için en son anahtarlanan bobin gurubuna enerji verilmesi gerekir ve eğer herhangi bir nedenle enerji kesilecek olursa rotor serbest kalacak ve konum kaybedecektir. Hibrit motorlarda ise rotor kutupları sabit mıknatıslardan oluşur. 1.8O-2,5O gibi küçük adımlarda yapılırlar. Sabit mıknatıslı rotor, kutup manyetik alanı ile birlikte momenti arttırır. Rotoru sabit tutmak için yine en son anahtarlanan bobin gurubuna enerji verilmesi gerekir fakat herhangi bir nedenle enerji kesilecek olursa rotor tamamen serbest kalmaz ve sabit mıknatısların etkisi ile küçük kuvvetlerde konumunu korur. Hibrit motorlarda adımlar çok küçüktür bu küçük adımları sağlamak için aynı rotor mili üzerine konmuş ve kutup hizaları birbirinden farklı birden fazla sabit mıknatıs rotor kullanılır. Şekildeki her bir rotor kutupları arasındaki açının 3.6O olduğunu kabul edelim eğer iki rotor kutupları arasındaki açı 1.8O olacak şekilde yerleştirilecek olursa 3.6O lik adım açısı yarıya yani 1.8O dereceye düşecektir. Stator kutup ayakları da 1.8O lik küçük kutup ayakları şeklinde açılacaktır.

Stator kutup ayaklarındaki küçük kutuplar ile rotor kutupları aynı genişlik ve açıya sahiptir. Fakat bir kutup altında aynı eksene geldiklerinde diğer kutupların altında 1.8O lik açı farkı oluşacaktır. Yandaki şekil dikkatle incelecek olursa dikey kutup altında stator ve rotor kutupları aynı eksene gelmişken bir yan kutupta aralarında 1.8O lik bir fark olmaktadır. Eğer sırası ile yan bobin enerjilenecek olursa bu durumda rotor sadece 1.8O lik hareket ederek stator kutup ekseni ile aynı hizaya gelecektir. Yani dönme hareketi 1.8O lik adımlar ile gerçekleştirilecektir.

.




Adımların daha kolay anlaşılması için bir an stator ve rotor kutuplarını düzlemsel olarak kabul edelim. 1. adımda 1-5 kutup çifti enerjilidir ve rotor bu kutup ekseni altındadır. Bu anda 2-6 kutup çifti ile rotor kutupları arasında 1.8O lik bir fark vardır ve 2-6 kutup çifti 1-5 kutup çiftinden sonra enerjilendiğinde rotor sağa doğru hareket ederek bu kutup çifti eksenine gelecektir. Rotorun her adımında bir sonraki stator kutbu ile arasında devamlı 1.8O lik bir fark olacak ve kutuplar sıralı enerjilendiğinde rotor 1.8O lik adımlar halinde hareket edecektir.

Step motorları kutup bobinlerine enerji uygulama şekline göre iki kutuplu ve tek kutuplu olarak ikiye ayırabiliriz. Tek kutuplu ( Unipolar ) step motorun stator kutuplarında ikişer adet bobin bulunmaktadır. Her adımda bu bobinlerden sadece birine gerilim uygulanır. Her bobin enerjilendiğinde bulunduğu kutbun manyetik alan yönünü (N-S) değiştirir.

1. Adım 2. Adım

1. Adımda S1-1 ve S2-1 konumundadır. Anahtarlar bu konumda iken P ve R bobinleri enerjilidir ve bu durumda kutupların manyetik alan yönleri ve rotor konumu görülmektedir. 2. Adımda S2 anahtarı sabit tutulup S1 anahtarı 2. konuma alındığında bu sefer Q bobini enerjilerek bu kutbun manyetik alan yönünü değiştirecektir. Yeni durumda rotor saat ibresi yönünde 45O lik adım atacaktır. Bobinlere sıralı enerji verilmesi ve buna bağlı olarak rotor konumunun değişimi yanda verilmiştir.




Tek kutuplu motorlarda dikkat edilecek olursa stator kutuplarında iki adet bobin bulunmakta ve bu bobinlerden sadece bir tanesi o an için enerjilenmektedir. Bu durum stator kutuplarının dolayısı ile motor hacminin büyümesine neden olmaktadır. Çift kutuplu ( Bipolar ) motorlarda ise her stator kutbu üzerinde bir adet bobin bulunmakta ve bu bobinin manyetik alan yönünün değişimi (N-S) bobinden geçen akımın yönü değiştirilerek sağlanmaktadır.

1. Adım 2. Adım

1. Adımda S1 ve S2 anahtarları 1. konumundadır. Anahtarlar bu konumda iken P bobininden aşağıdan yukarı ve Q bobininden soldan sağa doğru akım geçmektedir. Bu durumda kutupların manyetik alan yönleri ve rotor konumu görülmektedir. 2. Adımda S1 anahtarı 2. konuma alınmış ve S2 anahtarı 1. konumda bırakılmıştır. Bu durumda P bobininden geçen akımın yönü yukarıdan aşağı doğru değişmiştir. Değişen bu akım yönü bu kutbun manyetik alan yönünü de değiştirmiştir. Yeni durumda rotor saat ibresi yönünde 45O lik adım atacaktır. Çift kutuplu motorlarda kutupdaki bobinin her adımda kullanılması tek kutupluya göre kutup boyutlarının küçülmesini sağlasa da bobinden geçen akımın yön değiştiriyor olması bu tip motorların anahtarlanmasını tek kutupluya göre biraz daha teferruatlı olmasına neden olmaktadır. Bobinlere sıralı enerji verilmesi ve buna bağlı olarak rotor konumunun değişimi yanda verilmiştir.

3

Yukarıda anahtarlamanın anlatılması sırasında verilen şekiller konunun anlaşılmasına yöneliktir, gerçektebobinlerin stator kutuplarına yerleşimi daha detaylıdır. Yandaki şekilde verilen tek kutuplu ( Unipolar ) motorda küçük adımlar ve yüksek moment elde etmek için bobinler birden fazla kutup ayağına paylaştırılmıştır.

.




Şekildeki step motorda eğer her bobine sıralı enerji verilecek olursa rotor sırası ile bu kutup eksenlerine doğru 90 ar derecelik adımlar gerçekleştirecektir.

Eğer aynı anda iki bobin enerjilenecek olursa örneğin D ve A bobinleri rotor bu iki kutup arasındaki 1 konumuna gelecektir. Bir sonraki konumda eğer A bobininin enerjisi korunup D bobini yerine B bobinine enerji verilecek olursa rotorun yeni konumu 2 olacaktır. Bu durumda da motar 90 ar derecelik adımlar atacaktır. Fakat aynı anda iki bobininde enerjili olması daha yüksek bir moment sağlayacaktır. Eğer hem sıralı hemde çift bobine enerji vererek anahtarlamayı beraber kullanacak olursak bu durumda 45 er derecelik yarım adımlar elde etmemiz mümkün olacaktır. Şekilde önce A bobinine enerji verilmiştir bu durumda rotor konumu 1 dir. Ardından A-B bobinleri beraber enerjilenmiştir ve rotor 2 konumuna gelmiştir. Eğer A bobininin enerjisi kesilip B bobini enerjili kalacak olursa rotorun yeni konumu 3 olacaktır. Bu şekilde anahtarlamada unutulmaması gereken tek bobin enerjilendiğinde çift bobine göre momentin düşük olacaktır.




Mikro adım yönteminde step motor sürücüsü stator kutuplarına farklı değerlerde gerilimler ( Dolayısıyla manyetik alan ) uygulayarak kutuplar arası adımlar elde edilebilse de bu işlemin karmaşıklığı sürücü maliyetinin artışına neden olduğu için pek tercih edilmez.

.

Rotor kutbu, enerjilenen stator kutbunun eksenine doğru hareket eder bu hareket sırasında kazandığı eylemsizlik momentinden dolayı tam olarak stator kutup ekseninde duramaz ve bir miktar bu ekseni geçer. Daha sonra eksen çizgisine gelmek için geri hareket ederek bir salınım gerçekleştirir.

Motor mili yüklendikçe rotorun konumuna gelme süresi uzayacak ve salınım azalacaktır.

.

Eğer sürücü zamanlaması kutup ekseni geçildiği anda bir sonraki kutup enerjilenecek şekilde ayarlanacak olursa rotor salınım yapmayacaktır. Fakat anahtarlama süresi daha da kısa olursa bu durumda rotor, stator kutup hızını takip edemeyerek geride kalır ve konum bilgisini kaybeder. Duran bir step motorun milini sabit tutarak, konum bilgisini kaybetmemesi için ensonki stator kutupları enerjili bırakılır.

.

Duran bir step motor eylemsizliğinden dolayı ilk anahtarlamada çalışma hızına ulaşamaz. Bu nedenle step motorlar harekete geçirilirken anahtarlama frekansı rampalı bir şekilde arttırılır. Yine aynı şekilde dönen bir step motorun durdurulması içinde anahtarlama frekansı rampalı bir şekilde azaltılmalıdır. Aksi taktirde yüklü olan rotor mili durması gereken adımda duramayarak birkaç adım daha hareketine devam edecektir.




Her ne kadar stator kutuplarının anahtarlama sayısı ile rotor konumu hesaplanabilse de bu şekildeki açık kontrol sistemlerinde yukarıda bahsi geçen konum bilgisinin kaybedilmesi durumlarına karşı geri döngü kontrol elamanı olarak encoder kullanılarak kapalı döngü kontrol gerçekleştirilebilir. Yine ataleti yüksek yüklerin enerji kesildiğinde tutulması ve konum koruması için step motorlar elektromanyetik frenli olarak imal edilebilirler.

Step motor sürücülerinde en az iki bilginin sürücü tarafından bilinmesi gerekir. Bunlardan birincisi anahtarlama palsleridir ( Step ). Sürücü kendisine gelen her palste motor bobinlerini sırası ile anahtarlar. Bu bilgi aynı zamanda anahtarlama frekansını yani motor hızını belirler. Adım bilgisi diğer bir PLC veya kontrol ünitesinden verilebileceği gibi step motor sürücüsü üzerindeki osilatör veya sürücünün programlanması ile de verilebilir. Diğer bir bilgi yön ( Dir ) bilgisidir. Bunun için sürücü üzerinde bir dijital giriş ayrılmıştır. Eğer giriş “1” bir ise motor bir yönde, “0” sıfır ise diğer yönde dönecektir.

.

Step motorun bobinlerinin anahtarlanması sırasında bobinlerin endüktif özelliğinden dolayı ters indüksiyon gerilimleri oluşacaktır. Eğer motorumuzu bir sürücü üzerinden çalıştırıyorsak üretici şirket bunla ilgili tedbirleri sürücü anahtarlama katında almıştır. Fakat motorumuzu bir PLC veya mikroişlemcili kontrol ünitesi tarafından biz süreceksek bobinlere serbest döngü diyotu bağlayarak oluşan bu ters indüksiyon geriliminin yarı iletken anahtarlama elemanlarına zarar vermesini engellememiz gerekir.




Küçük step motorların sürülmesinde kontrol katı bir frekans osilatörü ( Genellikle 555 entegreli ) ve bu osilatörün çıkışındaki encoder devreden oluşmaktadır. Kontrol katının çıkışı motorun Çift veya Tek kutuplu olmasına göre yarı iletken anahtarlama elemanlarını ( Genellikle transistör ) sırası ile iletime ve kesime götürür.

Tek kutuplu ( Unipolar ) Çift kutuplu ( Bipolar )

.

Çoğunlukla kullanılan transistör iletim - kesim noktalarında çalışacağı ve üzerinde bir gerilim düşümü oluşturmayacağı için devrede ciddi bir güç kaybına neden olmazlar. Bu tip sürücülerde elde edilen çıkış gerilimi kare dalga olup yarı iletken elemanlara ters paralel serbest döngü diyotları bağlanır. Endüstriyel tip sürücülerde ise düşünülmesi gereken bazı parametreler vardır. Örneğin mil yükü değiştiğinde momentin sabit kalması. Rotor tepki süresi. Rotorun konumuna göre kutup sargılarının endüktansındaki değişim gibi.




O nedenle bu tip sürücüler yüksek anahtarlama frekansına sahip yarı iletken elemanlar ile PWM moda ve akım değerini kontrol edebilecek şekilde imal edilirler. Step motorlarda dört çeşit tork değeri bulunur. a. Detent Torque (Yüksüz ve Enerjisiz Tutma Torku) b. Holding Torque (Yüksüz ve Enerjili Tutma Torku) c. Pull in Torque (Kalkıstaki Maksimum Yük Momenti) d. Pull Out Torque (Sürekli Rejimdeki Maksimum Yük Momenti)

Step motor etiketinde verilen gerilim değeri, rotor hareketsiz iken tutma torkunun oluşturulması için son sargı ( veya sargılara ) uygulanması gereken gerilim değeridir. Motorun sürülmesi sırasında bu gerilim değeri üzerine çıkılmaması gerekir. Bu gerilimin sargı direncine bölümü bobin akımını verecektir. Step motor uçlarında imalatçı şirketlerin çeşitli renk veya sayı kullandığı görülse de motorlar uç renk kodlarında aşağıdaki genelleme yapılabilir.

Tek kutuplu ( Unipolar )

Siyah Beyaz Kırmızı Mavi Sarı Turuncu

Adım 1 + - - Adım 2 + - - Adım 3 + - - Adım 4 + - -

*Anahtarlama sırası ve potansiyeli

.

Çift kutuplu ( Bipolar )

Kırmızı Mavi Sarı Turuncu Adım 1 - - + + Adım 2 + - - + Adım 3 + + - - Adım 4 - + + -

*Anahtarlama sırası ve potansiyeli

.

Eğer step motor uçları bilinmiyorsa öncelikle bağlantı tipi bulunmalıdır. Eğer motordan dışarıya 4 adet kablo çıkıyorsa bu motorumuzun Çift kutuplu ( Bipolar ) olduğunu gösterir. Ölçü aleti ohm kademesi ile hangi iki ucun bir bobine ait olduğu bulunur. Bu bobinlerin giriş çıkışları ise ancak gerilim vererek denem yolu ile bulunabilir. Motordan 6 uç veya bazı durumlarda iki bobinin ortak ucu motor içerisinde birleştirilerek çıkarılmış ise 4 uç çıkıyorsa motor Tek kutuplu ( Unipolar ) dır. Ölçü aleti ile hangi 3 ucun aynı bobin grubuna ait olduğu bulunur.

Adım - Açı 1 Tur İçin Toplam Adım Sayısı

15O 24 7.5O 48

3.75O 96 3.6O 100 1.8O 200 0.9O 400




Daha sonra bu üç uç arasında tekrar direnç ölçümü yapılarak ortak uç bulunur bobin giriş çıkışları ise yine gerilim vererek denem yolu ile bulunabilir. Ölçü aletinin ölçümleri sırasında motor mili kesinlikle döndürülmemelidir. Kutuplarda üretilecek gerilimler yanlış ölçmelere neden olabilir. Aşağıda uygulamaya yönelik bir örnek verilmiştir. Step motorun bağlı olduğu sonsuz vida step motor döndükçe üzerindeki tablayı ve iş parçasını ileri geri hareket ettirmektedir. Bu hareket sırasında freze bıçağı ise iş parçasından talaş kaldırmaktadır. Sonsuz vidanın adımı 2 mm dir ve step motor 1.8O derecelik adımlar gerçekleştirmektedir. Yani 1 turda 200 adım atmaktadır.

Bu durumda adım başına düşen ilerleme miktarı 2/200 = 0.01 mm/adım dir. 1 cm ( 10 mm ) uzunluğunda talaş kaldırma için motor 10/0.01 = 1000 adım gerçekleştirmek zorundadır. Yani step motor 1000 adım atacak ve duracaktır. Parçanın yumuşak veya sert olmasına bağlı olsa da sistemin saniyede 0.02 mm lik bir hızda ilerlemesi istensin. Bu durumda 0.02/0.01 = 2 yani motorun saniyede 2 adım atması gerekecektir. Bu durumda anahtarlama frekansı 1000/2 = 500 msn olacaktır. Tezgah 1 cm ( 10 mm ) lik yolu 500 sn de alacaktır. Bu işlemin sonunda freze bıçağı parça üzerinden kalkacak ve tezgahın başlangıç noktasına gelmesi gerekecektedir. Geri dönüşte zaman kaybını engellemek için 200 adım/ saniye hızında çalışması istenebilir. Bu hızda anahtarlama frekansı 1000/2000 = 5 msn olacaktır.




LİNEER MOTORLAR: Şimdiye kadar görmüş olduğumuz tüm motorlar dairesel ( açısal ) hareket yapmaktaydılar. Endüstride gerekli olduğu taktirde bu dairesel hareketi doğrusal ( lineer ) harekete dönüştürmek için çeşitli sistemler kullanılmaktadır. Vidalı mil, kramayer dişlisi, kayış-kasnak sistemleri ve pnömatik silindirleri bunlara örnek olarak verebiliriz.

Vidalı mil Kramayer dişlisi

.

Kayış-Kasnak sistemi Pnömatik silindir .

Vidalı mil, kramayer dişlisi, kayış-kasnak sisteminde bir elektrik motorundan alınan dairesel hareket doğrusal harekete dönüştürülmektedir. Motorlu sistemlerde elde edilen hız yataklama ve sürtünme sorunlarından dolayı 5m/s nin üzerine çok fazla çıkamamaktadır. Kayış uzaması ( veya gevşemesi ) dişliler arası boşluklar gibi nedenlerle bu sistemlerde yapılan konum kontrolü yeterli hassasiyete sahip olamamaktadır. Pnömatik silindirlerde ise sisteme basınçlı havada ilave olmaktadır. Konum kontrolü pahalı Servo pnömatik sistemlerle sağlanmaktadır. Yüksek hızlı, konum kontrolü yapılabilen doğrusal hareket gerektiren uygulamalarda lineer motorlar kullanılmaktadır. Lineer motoru yapı ve çalışma prensibi açısından bir servo motorunun açılmış haline benzetebiliriz. Lineer motor çıkık elektro mıknatıs kutuplardan oluşan rotor ( Forcer ) ve çıkık sabit mıknatıs veya nüve kutuplardan oluşan stator kısımlarından oluşur. Genellikle stator kutuplar gövdeye bağlanmıştır. Rotor kutuplar ise lineer olarak yataklanmış olup stator kutuplar üzerinde hareket etmektedir. Hareket, rotor çıkık elektromıknatıs kutupların sıralı olarak enerjilendirilmesi ve oluşan N-S kutuplarının stator çıkık sabit mıknatıs veya nüve kutuplar tarafından çekilmesi ile sağlanır. 1 mikron hassasiyetinde hareket gerçekleştiren lineer motorlar bulunmaktadır. .




Yüksek hassasiyete sahip bir lineer motorun yapısı çalışma prensibine ait resimler aşağıda verilmiştir. Bu motorun stator kutupları demir sac nüveden oluşmaktadır. Rotor A ve B kutupları arasındaki sabit mıknatıs ara parçanın görevi manyetik alanı yönlendirerek enerji verilen kutup üzerindeki manyetik alanın tek kısımda yığılmasını sağlamaktır.

1. Konum 2. Konum

3. Konum 4. Konum




Yukarıdaki lineer motor yapısı Bipolar Hibrit step motora çok benzemektedir. 1. konumda A bobinine + yönlü bir enerji verildiği düşünülmüştür. Bu konumda A1 kutup eksenleri kendisine en yakın olan stator kutup eksenine çekilmiştir. 2. konumda B bobinine + yönlü enerji verilmiş ve rotor sola doğru hareket ederek B2 kutup eksenleri stator kutup eksenlerine gelmiştir. Bir sonraki adım için A bobinine – yönde enerji vererek hareketin devamlılığı sağlanmıştır. Rotorun sağa hareketi için ise anahtarlama sırasının terse çevrilmesi yeterlidir. Sürücü anahtarlama frekansları 40m/sn lik hızlara müsaade etse de lineer yataklamada yaşanan sorunlar nedeni ile lineer motorlarda hız 5-10m/sn değerlerinde tutulmaktadır. Elde edilen hareket lineerdir ve yük rotor üzerine bağlanır. Rotorla birlikte hareket eden kabloların sorun teşkil ettiği durumlarda rotor kısmı sabit tutularak stator kısmı hareketli olacak şekilde yataklanabilir. Bu durumda hareketli aksamın ağırlığının artması bir dezavantaj oluşturacaktır. Rotor konumu manyetik ( Hall elemanlı ) veya optik encoderler ile bulunur. Stator boyunu teorik olarak sınırlayan herhangi bir şey yoktur. Bu nedenle imalatçılar müşterilerinin istekleri doğrusunda çok çeşitli boylarda lineer motor imal edebilmektedir.

Lineer Motorların Enerji Komitasyonuna Göre Sınıflandırılması: Fırçalı Lineer Motorlar: Bu motorda elektromıknatıs bobinler stator buyunca dizilmiş olup rotor sabit mıknatıslardan oluşur. Stator üzerindeki bobinlerin uçları kollektörlere çıkarılmıştır. Enerji, rotorun hareketi sırasında rotor üzerindeki fırçalar vasıtası ile sıralı bir şekilde verilir. Bu mekanik aksam motor hızını düşürdüğü gibi arıza riskini arttırmaktadır. Ayrıca bobinlerin motor boyunca dizilmesi bu motorların maliyetini arttırmaktadır. Bu dezavantajlarından dolayı kullanım alanı çok değildir.

Fırçasız Lineer Motorlar: Bu motorlarda stator sabit mıknatıslı veya demir nüveli çıkık kutuplara sahiptir. Rotor üzerinde ise yine çıkık kutuplu elektromıknatıs bobinler vardır. Gerek konum bilgisi gerekse de hangi rotor sargısına enerji verileceğinin tespiti için geri dönüş elemanına ihtiyaç duyulur. Encoderden alınan konum ilgisine göre rotor bobinlerine yarı iletken anahtarlama elemanları ile sırası ile enerji uygulanır. Stator boyu yani yol eklenerek, istenildiği kadar uzatılabilir. Buna rağmen bobinlerin olduğu rotor değişmez. Yol için sınırlama rotor üzerindeki kabloların taşınma güçlüğü veya encoder boyunun yeterli derecede uzatılamamasından kaynaklanır. Fırçasız lineer motorların sürücüleri step motor sürücülerine çok benzer. Endüstriyel tip lineer motorlar genellikle üç fazlı olarak imal edilirler ve bobinler sıralı enerjilenir. Bobinlere enerjinin verilmesi üç farklı anahtarlama yöntemi ile gerçekleştirilir. Kare dalga gerilim çıkış veren sürücüler en basit sürücülerdir. Altı adımlı sürücüde motor sargılarına iki farklı gerilim seviyesi uygulanır. En ideal sürücü çıkışı sinisoidal gerilim olup bu sayede motorun daha az titreşimle hareket etmesini sağlanır.




Ayrıca motor sargıları daha az ısınacaktır. Fakat bu tip sürücülerde anahtarlama devresi diğerlerine göre daha karmaşık ve maliyetli olmaktadır.

Lineer motorların kullanım alanlarındaki uygulama farklılıkları zamanla bu motorların yapısında bazı değişikliklere gidilmesine neden olmuştur. Yukarıda lineer motor çalışma prensibinin konusunda verilen yassı lineer motor haricinde Mil lineer motorlarda bulunmaktadır. Burada rotor mıknatıs dizisi bir milden oluşmaktadır. Bu mil, etrafına bobinlerin yerleştirildiği boru içerisinde yataklanarak hareket etmektedir. Hareket duyarlılıkları 0.01mm civarındadır. Bobinlerin sıralı enerjilenmesi ile mil rotor lineer hareket gerçekleştirmektedir. Motor hareket boyunu uzatmak için yan yana dizili bobin sayısı arttırılmalıdır. .

Hareket mil rotor ile sağlansa da bazı uygulamalarda mil sabit tutularak bobinlerin olduğu gövde hareket ettirilir.

.




“U” lineer motorlarda ise rotor karşılıklı bakan iki sabit mıknatıs stator arasında hareket eder. Mıknatısların karşılıklı bakması kaçak akıyı azalttığı için motor verimini ve momentini arttırır. Rotor bobinlerinin demir nüvesiz oluşu rotorun hafiflemesine ve bu nedenle yüksek ivmelere imkan vermektedir.

.

Lineer motorlarda kullanılan encoderler artımsal encoderlerdir. Herhangi bir nedenle konum bilgisi kaybedilecek olursa ( Örneğin enerji kesilmesi ) motorun başlangıç konumuna dönerek konum bilgisini sıfırlaması gerekmektedir. Bu nedenle lineer motor ( veya sistem ) üzerinde referans sensörü bulunur. Konum bilgisi kaybolduğunda motor sensör tarafına belirli bir hızda hareket eder ve sensörü gördüğü anda konum bilgisini sıfırlayarak çalışmasını sürdürür.

Lineer motorların hassasiyeti, yüksek hızlarda çalışabilmesi motorlara avantaj sağlasa da gerek motor gerekse de sürücü maliyeti ve düşey doğrultularda çalışmada yaşanan sorunlar ( Enerji kesilmesinde aşağı düşmesi ve frenlenememesi ) motor için dez avantaj teşkil etmektedir. Lineer Motor Uygulama Örnekleri:




.




Manyetik Raylı Tren (Maglev): Manyetik raylı trenler bir çeşit lineer motordur. Tren gövdesinin altında ve raylarda elektro mıknatıs bobinler bulunur. Aynı adlı kutupların birbirini itmesi prensibi ile tren havaya kaldırılarak sürtünme en aza indirilmektedir. Yine farklı adlı kutupların birbirini çekmesi prensibi ile de trenin ileri veya geri yönde hareketi sağlanmaktadır.




ANAHTARLAMALI RELÜKTANS MOTORLAR – ARM ( DEĞİŞEN RELÜKTANS MOTOR - DRM ) ( VARIABLE RELUCTANCE MOTOR – VRM ): Yapı ve çalışma prensibi olarak step motorlara çok benzerler. Stator ve rotoru çıkık kutupludur ve sac paketlerinden oluşur. Rotorda sabit mıknatıs kullanılmaz. Her bir faza ait stator sargıları karşılıklı kutuplar üzerine sarılı olup seri bağlanmıştır. Stator sargılarına tek yönlü ve sıralı olarak akım verilir. Stator sargılarına akım verildikçe kendisine en yakın rotor çıkık kutbunu kendi kutup eksenine çekerek dönme hareketini sağlar. Devir yönünü değiştirmek için anahtarlama sırasını terse çevirmek yeterlidir. Relüktans motorun adım açıları step motorlara oranla oldukça büyüktür. Zaten relüktans motorların kullanılma nedeni konum kontrolü için değildir. Relüktans motorlar kendi anma devirlerinde ( Senkron devir ) çalıştırılırlar.

Relüktans motorun bir asenkron motor yerine kullanılmasının en büyük nedeni aynı boyuttaki bir asenkron motora oranla daha büyük güçler ve döndürme momenti elde edilebiliyor olmasıdır. Ayrıca sargılarının sıralı anahtarlanıyor olması ve akımın yön değiştirmemesi sürücü açısından da avantajlar sağlamaktadır.

Asenkron motoru sürmek için kullanılacak sürücünün artı ve eksi alternans çıkış vermesi yani akımın yön değiştirmesi sürücünün anahtarlama ve kontrol devrelerini relüktans motor sürücüsüne oranla daha karışık ve maliyetli olmasına neden olmaktadır. Relüktans motorların diğer avantajlarını şu şekilde sayabiliriz.; Yapısı basit maliyeti düşüktür. Rotorun hafif oluşu rotor eylemsizliğini düşürmektedir. Yüksek momentler elde edilebilmektedir. Yüksek devirlerde çalıştırılabilmektedirler. Sürücü ile devir ayarı yapmak mümkündür. Bu avantajlarının yanı sıra relüktans motorların çalışırken çıkardıkları yüksek akustik ses gürültüsü bu motorlar için dezavantaj teşkil etmektedir. Ayrıca sıralı anahtarlamanın yapılabilmesi için rotor çıkık kutbunun hangi stator kutbu altına geldiği bilinmesi gerekmektedir bu nedenle mil konum bilgisini veren geri dönüş elemanına, encodere gerek duyulur. Bazı sürücülerde geri dönüş elemanı kullanmadan rotor konum bilgisi elde edilebilir. Rotor çıkık kutbunun stator çıkık kutbunun altına gelişi sırasında manyetik geçirgenlik değişeceği için stator sargı endüktansı dolayısıyla sargının çekeceği akımın dalga şekli değişecektir. Bu özellikten yararlanarak sürücü fazlar üzerindeki akım trafolarından aldığı motor akım bilgisine göre rotor konumunu tayin edebilmekte ve sıralı anahtarlamayı buna göre yapmaktadır.

Yüksek Relüktans Düşük Empedans

Düşük Relüktans Yüksek Empedans




SENKRON MOTOR – ALTERNATÖR : Elektrik makineleri ders notunda asenkron motor stator sargılarına üç faz uygulandığında nasıl döner alanın oluştuğunu görmüştük. Aynı zamanda bu döner manyetik alan rotor kısa devre çubuklarını kesmekte ve çubuklarda endüklenen gerilim ile oluşan rotor kısa devre akımının oluşturduğu rotor manyetik alanın stator döner alanını takibi ile rotor dönme hareketini gerçekleştirmekteydi. Kısa devre çubuklu asenkron motorlarda rotor manyetik alanı stator manyetik alanı tarafından oluşturulduğu için rotor devri stator devrine eşit olduğunda rotor, stator manyetik alanı tarafından kesilemeyecek ve indükleme olmayacaktır. Bundan dolayı rotor devri stator devrinden ( Senkron devir ) her zaman kayma miktarı kadar küçük olacaktır. Rotor devrinin stator devrine eşit olabilmesi için ( ns=nr ) rotor manyetik alanının oluşumunun stator manyetik alanından bağımsız hale getirilmesi gerekir. Bunun için rotor ya sabit mıknatıstan oluşturulmalı veya rotor manyetik alanı dışarıdan beslenen bir elektro mıknatıs tarafından sağlanmalıdır. Senkron motorlarda kayma oluşmaz ve rotor devri senkron devre eşittir. Bu eşitlik motor yüklendikçe bozulmaz ve kopma momentine kadar sağlanır. Kopma momentinin aşılması ile motor mili durur. .

Sabit mıknatıslı rotora sahip senkron motorlar daha sonra tekrar döneceğiz. Büyük güçlü senkron motorlarda rotor üzerine açılan oluklara sargılar sarılır bu sargının iki ucu rotor üzerindeki iki adet bileziğe çıkarılır ve bu bileziklere basan iki adet fırça aracılığı ile rotor sargısına sabit manyetik alan oluşturması için doğru akım uygulanır. ( Uyartım akımı. )

Bilezik ve fırça düzeneği mekanik bir düzenektir, bu nedenle bakım problemlerini arttırır sürtünme dolayısıyla yükselen temas direnci kaybı arttırır ve verimi düşürür. Fırça ve bilezik düzeneğini ortadan kaldırmak için geliştirilen fırçasız senkron motorlarda aynı milde ( Aynı gövdede ) yan yana iki makine bulunur.

.




Mil üzerinde rotor ile birlikte doğru akım makinesinin endüviside bulunmaktadır. Dış gövdede ise hem senkron motorun stator sargıları hem de doğru akım makinesinin kutup sargıları vardır. Doğru akım makinesi bir dinamo gibi çalışarak rotor sargılarına uygulanan gerilimi üretir. Gövde üzerinde olan ve uçları klamens kutusuna çıkarılan Dinamo kutuplarına bir DC gerilim uygulandığında kutuplarda oluşan manyetik alan, içerisinde dönen endüvi sargılarında bir gerilim indükler. İndüklenen bu gerilim her zaman AC dir. İndüklenen bu AC gerilim mil üzerinde mil ile birlikte dönen diyotlardan geçirilerek doğrultulur ve rotor sargı uçlarına verilerek rotor sargılarında bir manyetik alan oluşması sağlanır. Burada rotor sargılarına fırça ve bilezikler üzerinden gerilim verilmektense aynı gövde ve mil üzerinde bulunan bir dinamoda gerilim üretilerek rotor sargıları beslenmiştir.

Senkron motorun sağlamış olduğu en büyük avantaj sabit devirdir. Fakat günümüzde yarı iletken teknolojisindeki ilerleme ve fiyatlardaki düşme motor sürücülerinin kullanımını arttırmıştır. Bu nedenle senkron motorun yerini artık motor sürücüsü ile birlikte kısa devre çubuklu asenkron motor almıştır. Fakat günümüzde hala alternatif gerilimin üretilmesinde senkron makineler kullanılmaktadır. Eğer senkron motorun milini çevirecek ve rotor sargılarına bir gerilim ( DC ) uygulayacak olursanız döner rotor manyetik alanı stator sargılarını kesecek ve stator sargılarında bir gerilim indüklenecektir. Gerilim ürettiklerinde senkron motorlar Alternatör, Jenaratör veya Genaratör adını alırlar. ( bu isim çokluluğu çeşitli dillerden yapılan tercümeler sırasında ortaya çıkmış olup aynı makineyi işaret etmektedir. )

Alternatif akımın üretilmesinde sabit tutulması gereken iki değer vardır. Periyot ( Frekans ) ve genlik. ns = (60.f) / p formülünden de görüleceği üzere frekansın sabit tutulabilmesi için alternatörün ayarlanan sabit bir devirde döndürülmesi gerekir. Hidroelektrik santralde suyun debisi, Termik santrallerde buharın basıncı, doğalgaz veya dizel santrallerde yakıt miktarı sabit tutulmalıdır. Bu ise alternatör çıkış frekansının devamlı ölçen ve buna göre çevirici makinenin devrini sabit tutan elektromekanik regülatörler ile sağlanmaktadır. Genliğin yani gerilimin sabit tutulması, frekansa göre daha basittir. e = B . l . v . sinα formülünde indüklenen gerilimin manyetik akı ve hıza bağlı olduğu görülmektedir.




Hız frekanstan dolayı değiştirilemeyeceğine göre gerilimin sabit tutulması için manyetik akı ile oynanması gerekmektedir. Bu ise fırçalı senkron alternatörlerde fırça-bilezik üzerinden rotor sargılara uygulanan gerilim değiştirilerek, fırçasız senkron alternatörlerde ise doğru akım uyartım dinamosunun kutuplarına uygulanan gerilimin değiştirilmesi ile sağlanır.




FIRÇASIZ DC MOTOR – SABİT MIKNATISLI AC MOTOR DC motorlardaki fırça kolektör düzeneğinin motor için arıza kaynağı haline gelmesi ve bakım gerektirmesi, Asenkron motor yapılarının basit oluşu ve ciddi bakımlar gerektirmemesi nedeni ile zamanla DC motorların yerini AC motorlar almıştır. Asenkron motorların devir sayılarının ayarlanamaması sorunu AC sürücüler ile çözülmüş ve bu sürücülerin maliyetleri de gün geçtikçe azalmıştır. Fakat moment karakteristiği açısından DC motorlar, Asenkron motorlara göre hala üstünlüğünü korumaktadır. Asenkron motorların doğrusal olmayan moment-hız karakteristiği bu motorların kontrollerini güçleştirmektedir. Yüke bağlı olan kayma miktarı bu motorların kontrolünde sürücünün karmaşık matematiksel modelleme hesapları yapmasını gerektirmektedir. Buna karşın DC motorlarda moment-hız karakteristiği doğrusaldır ve karmaşık matematiksel modellemeler gerektirmez.

DC motorlar moment-hız karakteristiği AC motor moment-hız karakteristiği

DC motorlardaki moment-hız karakteristiğini koruyarak fırça ve kolektör düzeneğinden kurtulmak için yapılan çalışmalar sonucunda Fırçasız DC motorlar geliştirilmiştir. Fırçasız DC motorda kutuplar sabit mıknatıstan yapılmış olup motorun dönen kısmını yani rotoru oluşturmuştur. Motor sargıları ise dış yüzeyde, statordadır. Rotorun elektro mıknatıstan değil de sabit mıknatıstan oluşması yani rotora enerji verilmemesi fırça ve kolektör düzeneğini ortadan kaldırmıştır. Fakat bu durumda stator sargılarına ( Kutup sargıları da diyebiliriz. ) sabit bir DC gerilimin verilmesi durumunda döner alan oluşmayacaktır. Döner alanın oluşması için daha önce gördüğümüz step veya relüktans motorlarda olduğu gibi kutup sargılarının sıralı anahtarlanması gerekmektedir. Kutup sargılarının sarılı olduğu stator iki tiptedir. Ya klasik DC fırçalı motorlarda olduğu gibi çıkık kutuplu yada Asenkron motorlarda olduğu gibi oluklu. Çıkık kutuplu statora toplu sargılar sarılır. Toplu sargıların işçiliği kolaydır. Bu tip statorlarda döner alanın oluşması için en az üç çıkık kutba ihtiyaç duyulur. Çoğunlukla üç bobin grubu ( Faz ) vardır ve bobinler çıkık kutuplar üzerinde sarılı olup karşılıklı çıkık kutuplara sarılı her bobin grubu seri bağlanır. Dağıtılmış sargıda ise yine üç bobin grubu ( Faz ) vardır ve sargılar asenkron motorlarda olduğu gibi stator oluklarına 120 şer derecelikelektriki açı ile yerleştirilmiştir. İster dağıtılmış ister toplu olsun bobin grupları yıldız veya üçgen bağlanarak motor dışarısına 3 faz ucu olarak çıkarılır.

Toplu Sargı Dağıtılmış Sargı .

Her ne kadar rotor için sabit mıknatıslı olduğu söylense de rotor tamamen sabit mıknatıstan yapılmaz. Çünkü sabit mıknatısın manyetik alan geçirgenliği havaya yakındır yani manyetik alan geçirgenliği açısından demire ( Saca ) göre oldukça kötüdür. Tamamen sabit mıknatıstan oluşacak bir rotor, stator sargı endüktas değerinin düşmesine neden olacaktır. Bu nedenle stator manyetik alanını kuvvetlendirmek için rotor sabit mıknatıs ve silisli sacların çeşitli yapılarda beraber kullanılmasından oluşur. Sabit mıknatıs olarak samaryum-kobalt veya neodyum-demir elementleri kullanılır. İçe gömülü mıknatıs rotorların momenti yüzey yerleştirmeli mıknatıs rotorlara oranla daha az titreşimli olmaktadır. .

Yüzey yerleştirmeli mıknatıslar. İçe gömülü mıknatıslar.




Fırçasız DC motorların sürülmesinde iki farklı yöntem kullanılır bunlardan birincisi basit bir sürücü ile faz sargılarının sıralı anahtarlanması ikincisi ise faz sargılarının sürücü üzerinden sinisoidal bir gerilimle beslenmesidir. Sıralı anahtarlama hassas konum kontrolü gerektirmeyen uygulamalar içindir. Burada amaç fırçasız DC motoru senkron hızında döndürmektir. Rotorun bir kutup altına çekilmesinden sonra bir diğer stator kutbunun anahtarlanması gerekmektedir bunun için rotor kutbunun o an hangi stator kutbu altında olduğu bilgisine ihtiyaç vardır. Bu basit konum bilgisi ya optik sensörler yada manyetik sensörler ile elde edilir. Optik sensör için led-fototransistörden oluşan basit bir optokuplör kullanılırken manyetik sensör olarak Hall elemanları kullanılır. Hatırlatma: Hall elemanı P veya N tipi yarı iletken bir malzemenin iki ucu arasından bir akım geçirilir ve bu malzeme kendisine dik manyetik alana maruz kalırsa malzemenin diğer iki ucu arasında bir potansiyel fark oluşur. Bu özellikten yararlanarak oluşturulan sensörler manyetik alana maruz kaldığında ( rotor hall elemanına altına gelip rotor manyetik kuvvet çizgileri hall elemanını etkilediğinde. ) çıkışlarından alınan potansiyel farkla rotor konum bilgisini belirlenir.

Sıralı anahtarlamaya ait basit bir prensip devre aşağıda tek kutuplu bir sürücü olarak verilmiştir. Bu devrede FT1 foto transistorü ışık aldığında TR1 transistörünü, FT2 foto transistorü TR2 transistörünü ve FT3 foto transistorü TR3 transistörünü iletime geçirmektedir. Işık kaynağı ve foto transistor ler arasına konan ve mile akuple olarak dönen parçalı disk foto transistorlerin rotor konumuna göre sıralı ışık almasını sağlamaktadır.

İlk başlangıçta Rotorun S kutbunun statorun P2 kutbu altında olduğunu düşünelim. Bu konumda FT1 Foto transistörü ışık alır ve Tr1 transistörü iletime geçer. Tr1 transistörü U sargısından akım geçirir ve P1-S kutbu rotorun N kutbunu ok yönünde çeker. Rotor N kutbu P1-S ile ayni hizaya geldiğinde mile bağlı döner disk FT1 i kapatır ve FT2 nin ışık almasını sağlar bu sayede Tr2 transistoru iletime geçer ve V sargısından akım geçirir. Bu sefer P2-S kutbu rotorun N kutbu ok yönünde çekerek P2-S ile aynı hizaya getirir. Bu konumda disk FT2 yi kapatır ve FT3 ün ışık almasını sağlar. FT3 ise Tr3 i iletime ceçirerek P3-S kutbunu oluşturur. Yeni konumda Rotor N kutbu yine ok yönünde hareketini sürdürür ve P3-S kutbunun altına gelir. Rotorun hareketi ile bu sıralı anahtarlama devam edecektir. Dikkat edilecek olursa fırça ve kolektör düzeneğinin yapmış olduğu komitasyon olayı Fırcasız DC motorlarda yarı iletken anahtarlama elemanları vasıtası ile mekaniki sürtünme olmadan elektronik olarak yapılmıştır. Aşağıda optik sensörlerin konumuna bağlı olarak sargı akımları ve rotor konumu verilmiştir.




Yandaki tek kutuplu sürücüye dikkat edecek olursanız aynı anda sadece bir bobin enerjilenmektedir. Yani her bobinin devrede kalma süresi 1/3 dür. Her ne kadar konunun anlaşılması açısından yukarıda örnek olarak verilmiş olsa da bu tip sürücüler düşük verimlerinden dolayı pratikte kullanılmazlar. Fırçasız DC motorların sürülmesinde çift kutuplu sürücüler kullanılır. Bu sürücülerde aynı anda 2 bobin enerjilidir ve her bobinin devrede kalma süresi 2/3 dür.

Çift kutuplu sürücüde motor sargıları yıldız veya üçgen olarak bağlanmış olup motor dışına üç uç çıkarılmıştır. ( Çoğunlukla yıldız bağlantı yapılır. ) Bu sürücüde 6 adet anahtarlama elemanı olup sıralı olarak ikişer bobin grubu üzerinden akım geçirerek döner alan oluşturur. ( Bobinlerden birinden + yönlü akım geçerken diğerinden – yönlü akım geçiyor.)




.

Bir turluk hareket elde edilebilmesi için sıralı olarak altı adet anahtarlama yapılması gerekmektedir. Yanda üç adet konum sensörünün düşen ve yükselen kenarlarında sırası ile anahtarlanan yarı iletken anahtarlama elemanları ve faz akımları verilmiştir. Fırçasız DC motordan bahsedilirken “Yamuk” ( Trapezoidal ) zıt EMK tabiri sıklıkla kullanılır. Bu tabir şuradan gelmektedir: Eğer sıralı anahtarlanan Fırçasız DC motorun uçları sürücüden çıkarılıp osilaskoba bağlanacak olursa ve bu motor başka bir makine tarafından dönderilecek olursa motor uçlarından alınan gerilimlerin ( Zit EMK ların ) dalga şekilleri aşağıdaki gibi olacaktır.

Zıt EMK grafiğine dikkat edilecek olursa rotor sabit mıknatıs ( N ) kutbu, stator kutbuna yaklaştıkça fazlar arası gerilim + yönde rampalı bir şekilde artmakta, rotor kutbunun stator kutbu altındaki hareketi sırasında sabit kalmakta ve rotor kutbu stator kutbundan uzaklaştıkça fazlar arası gerilimde rampalı bir şekilde sıfıra düşmektedir. Stator kutbuna diğer rotor sabit mıknatıs ( S ) kutbu, yaklaştıkça bu sefer gerilimin polaritesi ( Akım yönü )değişerek aynı olay gerçekleşecektir. Zıt EMK ların grafik şekilleri sensörlerin konumlarının belirlenmesi ve anahtarlama noktalarının belirlenmesi için önemlidir. Zıt EMK nın dalga şekli yamuk olduğu için sıralı anahtarlanan fırçasız DC motorlara “Yamuk” ( Trapezoidal ) zıt EMK lı fırçasız DC motor da denir. Bu motorların en büyük dezavantajı aşağıdaki şekilde de görüldüğü gibi momentin dalgalı oluşudur. Özellikle titreşimli olan moment düşük devirlerde milindeki yük için sorunlara neden olabilir. Ayrıca sıralı anahtarlamalı fırçasız DC motorlarda hassa konum kontrolü yapılamaz ve bu nedenle yüksek hassasiyet gerektiren servo uygulamaları için elverişli değildir.




Bu dezavantajlara karşı özellikle servo uygulamalar için geliştirilen fırçasız DC motor ailesinden olan Sabit mıknatıslı senkron motor veya bazı kaynaklarda geçen adıyla sabit mıknatıslı senkron AC motorlar vardır. Bu motorların farkı stator sargılarının, stator oluklarında asenkron motorlarda olduğu gibi dağıtılmış sargı olması ve faz sargılarının sürücü tarafından sinisoidal gerilimler ile beslenmesidir. PWM yöntemiyle sinüs gerilim üretmek yüksek yetenekli sürücü gerektirirken hassas konum kontrolü için geri dönüş elemanı olarak resolver veya encoder kullanımını zorunlu kılmaktadır. Ayrıca sıralı anahtarlamalı fırçasız DC motorlarda yaşanan titreşimli moment sorunu sabit mıknatıslı senkron AC motorlarda sinisoidal besleme sayesinde minimuma indirilmiştir.

Her ne kadar sıralı anahtarlamalı fırçasız DC motor ( Yamuk zıt EMK lı fırçasız DC motor ) ve sabit mıknatıslı senkron AC motor ( Sinisoidal zıt EMK lı fırçasız DC motor ), Fırçasız DC motor ailesinden olsalar da çevirilerde, sıralı anahtarlamalı fırçasız DC motor genel olarak Fırçasız DC motor (Brushless DC Motor – BLDC ) adıyla anılmaktadır. Senkron AC motordan ise sabit mıknatıslı senkron AC motor olarak bahsedilmektedir. Sıralı anahtarlamalı fırçasız DC motor ile sabit mıknatıslı senkron AC motorun temelde ayrılan özellikleri şunlardır:

Sıralı anahtarlamalı fırçasız DC motor Sabit mıknatıslı senkron AC motor Sıralı anahtarlama Sinisoidal besleme gerilimi

Yamuk zıt EMK Sinisoidal zıt EMK Titreşimli moment Titreşimsiz moment

Genellikle çıkık kutuplu stator, toplu sargı Genellikle oluklu stator, dağıtılmış sargı Genellikle yüzey yerleştirmeli mıknatıs rotor Genellikle İçe gömülü mıknatıs rotor

Hassas konum kontrolü yok Hassas konum kontrolü var Rotor konum bilgisi optik veya manyetik basit

sensörlerden alınıyor. Rotor konum bilgisi yüksek çözünürlüklü resolver veya

encoderden alınıyor. .

Yamuk zıt EMK Sinisoidal zıt EMK

Fırçasız DC motorlar yüksek güç katsayısına sahiptirler. Rotor sargılarının olmayışı dolayısıyla rotor demir kayıplarının olmaması bu motorların verimini arttırmıştır. Rotorun tamamen sac olmaması nedeniyle hafifleyen rotor eylemsizlik momentinin artmasını sağlamıştır. Ayrıca eylemsizlik momentini arttırmak için rotor küçük çaplı ve uzun imal edilir. Fırçasız DC motorlar aynı güçteki bir asenkron motora veya fırçalı DC motora oranla daha yüksek




momente ( Güce ) sahiptir. Bu ise motor boyutlarının küçülmesini sağlamıştır. Fırçasız DC motorlarda rotorun senkron devirden kopma anındaki moment anma momentinin 1,5 katını bulur. Ayrıca bu motorların sargılarına uygulanan gerilimin mile aktarımı sırasında geçen tepki süresi asenkron motorlara göre daha kısadır. ( Stator sargılarına uygulanan gerilimin artışı veya azalışından sonra buna bağlı olarak motor mil momentindeki değişim süresi.) Aşağıda servo sistemlerde kullanılan sabit mıknatıslı senkron AC motor şekli verilmiştir.

Sıralı anahtarlamalı fırçasız DC motora en güzel örnek olarak bilgisayar fan ve disk sürücü motorları gösterilebilir. Bu motorda yapı yukarıda bahsi geçen Fırçasız DC motordan biraz daha farklıdır. Kutuplar motor ortasındaki çıkık kutuplu stator üzerine sarılmıştır. Rotor bu çıkık kutuplar etrafında serbestçe dönebilecek şekilde yaltaklandırılmıştır. Rotorun, stator çıkık kutuplarına bakan yüzeyinde çok sayıda sabit mıknatıs bulunmaktadır. Mıknatıs sayısının çokluğu motor momentini artırı. Rotor mıknatısları stator altına montaj edilmiş hall elemanlarını etkiledikçe stator bobinleri yarı iletken anahtarlama elemanları sayesinde sıralı olarak anahtarlanacaktır.




Senk

ron

Serv

o M

otor

– S

abit

Mık

natıs

lı R

otor

lu




Diğer Özel Motorlar: Hafifi Rotorlu Motorlar: Bazı uygulamalarda motor sargılarına enerji verildiği anda rotor devrinin maksimum değere çıkması istenir. Bunun sağlanabilmesi için motorun eylemsizlik momentinin çok düşük olması gerekir. Motor eylemsizliğini azaltmak için rotorda demir aksamı kullanılmayarak rotor hafifletilir. Disk motorlarda rotor sargıları sağlam hafif bir karkas üzerine sarılmıştır. Bobin uçları basit kolektörlere çıkarılmıştır. Bu kolektörlere kömür fırçalar sürtmekte ve komitasyon sağlanmaktadır.

.

Kabuk rotorlu motorlarda ise rotor sargıları bir karkas üzerine sarılmıştır. Bu karkas içerisinde demir nüve dışında ise sabit veya elektromıknatıs bobinler bulunmaktadır. Demir nüve kutupların manyetik alan zayıflamasını engellemek içindir. Karkas üzerindeki bobin uçları basit kolektörlere çıkarılmıştır. Bu kolektörlere kömür fırçalar sürtmekte ve komitasyon sağlanmaktadır.

Elektrik motorlarını gerilim türü, kutup tipi, komitasyonu gibi çeşitli kategorilere ayırmak mümkün. Aşağıda elektrik motorları komitasyon çeşidine göre sınıflandırılmıştır.

Fırçalı Motorlar Fırçasız Motorlar

DC Motor Senkron AC motor Rotoru Sargılı AC Motor Fırçasız DC Motor

Yamuk Zıt EMK lı Sinisoidal Zıt EMK lı

Step Motor Anahtarlamalı Relüktans Motor

Elektrik Motorları

Elektrik makineleri ve bu ders notunda bir çok elektrik motorundan bahsedildi. Bu motorların sadece temel özellikleri üzerinde durduk. Peki hangi uygulama için hangi motoru kullanacağız. Aslında bu sorunun cevabı uzun zamanlı bir tecrübe ve pratik uygulama gerektirir. Ayrıca gerek elektrik motoru gerekse de motor sürücüsü şirketlerinin ürünlerinin yakın takip edilmesi de gerekir. Örneğin; Şönt, seri veya kompunt DC motorlar; Forklift ve tramvay gibi taşıtlarda cer motor olarak kullanılmaktadırlar. Rotoru sargılı AC motorlar ise çok büyük güçlerdeki kırıcı veya karıştırıcılarda tercih edilmektedirler. Step motorlar; Basit ve yüksek hassasiyet istenmeyen açık döngü servo uygulamalarda kullanılmaktadır. Buna örnek yazıcı veya diğer ofis makineleri, taşıma işlemi için kullanılan kartezyen veya scara robotlar ve basit sürme işleri verilebilir. Anahtarlamalı relüktans motorlar yüksek devirli ( 1200-10000 dev/dk gibi ) düşük güçlü fan ve pompa uygulamalarında tercih edilir. Fırçasız DC motorlardan Yamuk zıt EMK lı motorlar bilgisayar veya diğer elektronik cihazların fan ve disk sürücülerinde ve yüksek moment gerektiren cer uygulamalarında kullanılırlar. Sinisoidal zıt EMK lı sabit mıknatıslı senkron AC motorlar ise her türlü hassas servo uygulamalarında tercih edilirler.


Documents

ÖZEL ELEKTRİK MOTORLARI - pasayosi.weebly.com · otomasyon atÖlyesİ ders notlari mehmet tosuner – kocaelİ anadolu teknİk teknİk ve endÜstrİ meslek lİsesİ elektrİk bÖlÜmÜ