Fırçasız Motorlar Nasıl Çalışır ve Nasıl Test Edilir

Yazar: Emrik Joner

Giriş:

Bir drone inşa ederken atılacak ilk adımlardan biri doğru motoru seçmektir. En iyi performansı elde etmek için birden fazla motoru test etmek ve tasarımınız için en verimli olanı seçmek esastır. Piyasada, özellikle drone tasarımında kullanılmak üzere üretilmiş birçok çeşit elektrik motoru dahil olmak üzere çok sayıda motor bulunmaktadır. Bu makalede yalnızca elektrik motorlarına odaklanacak ve aşağıdaki konulara değineceğiz:

1. Fırçasız motorlar nasıl çalışır
2. İçten dönen (inrunner) ve dıştan dönen (outrunner) motorlar
3. Verimlilik ve performans
4. Motor seçimi

Not: Bu makale için motor ve pervane verilerini toplamak üzere Series 1585 itki test standını kullanacağız.

1. Fırçasız Motor Nasıl Çalışır?

Fırçasız mekanizmanın çalışma prensibine geçmeden önce, önce bileşenlerine bir bakalım.

Fırçasız Motorun Bileşenleri:

Elektromıknatıslar ve Daimi Mıknatıslar: 

Metalik bir tabanın etrafına sarılmış iletken bir tel tek başına bir mıknatıs gibi davranmaz, ancak telden akım geçtiğinde, bir mıknatıs gibi davranması sağlanır. Bu, yaygın olarak elektromıknatıs olarak adlandırılır. Aynı telden negatif akım geçtiğinde, mıknatıs artık zıt etki gösterir; yani başka bir mıknatısı itmek yerine çeker. 

Rotor ve Stator: 

Şekil 3'ün iç halkasında görülen parçalar elektromıknatıslardır, dış halkada ise daimi mıknatıslar bulunur. Motoru çalıştırmak için bobinlerine elektrik akımı vererek elektromıknatıslardan birini aktif hale getirirsiniz. Bu, daimi mıknatısın aynı kutuplu elektromıknatıs tarafından itilmesi ve stator üzerindeki zıt kutuplu daimi mıknatısla hizalanmaya çalışmasıyla rotorun dönmeye başlamasını sağlar.

Bu, elektromıknatıs ve zıt kutuplu daimi mıknatıs hizalanana kadar motorun yalnızca kısa bir süre dönmesini sağlar. Bir sonraki adım, dönmenin durmasını engellemek için başka bir elektromıknatısı beslemek, ardından bir sonrakini ve sonraki sonrakini çalıştırmaktır.

Belirli bir frekansta üç fazlı akım verilerek motor, bu sinyalin frekansına eşit bir hızda dönecektir. Drone kontrolündeki gaz kolu, motorun hızını değiştirmek için kullanılır; daha yüksek gaz girişi drone'a daha yüksek frekanslı bir sinyal gönderir. Elektronik Hız Kontrolörü (ESC), gaz girişine göre motorun hızını ayarlamak için sinyal iletimini kontrol eder. 

ESC'nin Rolü Nedir? 

ESC veya Elektronik Hız Kontrolörü, hız değişikliklerine veya hatta dönme yönünün tersine çevrilmesine dönüştürülen elektrik sinyalleri göndererek elektrik motorunu kontrol eder. Alternatif üç fazlı akım elde etmek için bir anahtar sistemiyle birlikte doğru akım kullanır. Bu çıkış akımı daha sonra devredeki anahtarların açılma ve kapanma hızını değiştirerek modifiye edilebilir.

Fırçasız ESC'lerin motoru çalıştırabilmek ve dönme yönünü seçebilmek için rotorun mevcut konumu hakkında bilgiye ihtiyacı vardır. ESC, konumunu belirlemek için son enerjisiz elektromıknatısın indüksiyonunu ölçmek üzere ondan gelen bilgiyi kullanır. Bu indüksiyon, en yakın daimi mıknatısın nerede olduğuna bağlı olarak değişir ve elektromıknatısın daimi mıknatısa ne kadar yakınsa, oluşan manyetik alan o kadar güçlüdür.

Gaz kolu, motorun hızını değiştirmek için kullanılır. Bunu yapmak için ESC'nin anahtar frekansını gaz kolunun sinyaline göre ayarlaması gerekir. Farklı performanslara sahip birkaç sinyal iletim protokolü vardır; en yaygın olanları Oneshot, Multishot ve Dshot'tur.

Aralarındaki fark, iletilen sinyallerin frekansıdır. Daha kısa frekanslar daha hızlı tepki süresi sağlar. Ayrıca, Dshot protokolü analog sinyal yerine dijital sinyal gönderdiği için diğer ikisinden farklıdır. Bu, sinyali elektriksel gürültüye karşı daha az hassas ve daha yüksek çözünürlüğü sayesinde daha hassas hale getirerek daha güvenilir kılar.

Daha fazla okuma: Fırçasız Motor Üreticileri Listesi

2. Inrunner veya Outrunner 

Prensip: 

Her fırçasız motor iki ana parçadan oluşur: stator ve rotor. Stator sabittir, hareket etmez ve elektromıknatısları tutar. Rotor, daimi mıknatısları tutan dönen bileşendir. İki tür fırçasız DC motor vardır: Inrunner ve outrunner modelleri.

Inrunner motorlarda rotor, statorun 'içinde' veya motor gövdesine göre daha içte döner. Outrunner motorlarda rotor statorun 'dışında' veya daha dışta döndüğü için zıt bir düzen söz konusudur; bkz. Şekil 6. Her iki modelin de avantajları ve dezavantajları vardır.

Aynı boyuttaki bir inrunner ve outrunner karşılaştırıldığında, kuvvetlerin uygulandığı çapın farklı olduğunu görmek kolaydır. Bu, elektromıknatısların daimi mıknatısları taşıyan rotora göre çok daha fazla yer kaplamasından kaynaklanır. Elektromıknatıslar iç tarafta yer alıyorsa, çap, dış tarafta yer aldıklarına kıyasla daha büyüktür (Şekil 6).

Boyutun yanı sıra, motorun performansı üzerindeki sonuçları da dikkate alınmalıdır. Daha büyük bir çap, kuvvetin dönme merkezinden daha uzakta uygulanması nedeniyle daha fazla tork anlamına gelirken, daha küçük bir çap yüksek devir için daha iyi olacaktır. Bu nedenle inrunner'lar yüksek hızda en iyi performansı gösterir ancak daha az tork üretirken, outrunner'lar daha fazla tork üretebildikleri için daha büyük pervanelerle en iyi şekilde çalışır, ancak daha düşük hızda döner. 

Drone Sektöründe Fırçasız Motorlar: 

Yukarıda açıklanan nedenlerden dolayı, eVTOL'lar yüksek torkları nedeniyle dikey itki için genellikle outrunner kullanır. Inrunner'lar ise daha yaygın olarak kanallı fan jetleri veya sabit kanatlı hava araçları ve yüksek devir gerektiren yatay hareketler için kullanılır. Bu, bir motorun Kv değeri, yani RPM/Volt değeriyle kolayca anlaşılabilir.

Bu değer, motorun içinden 1 V gönderildiğinde hangi hızda döneceğini belirler. Bu nedenle, yukarıda belirtildiği gibi inrunner'ın daha küçük bir rotoru olduğu ve aynı voltajda daha hızlı döndüğü için, aynı boyuttaki bir outrunner'dan genellikle daha yüksek bir Kv değerine sahiptir. Fırçasız motorları incelerken Kv değerinin genellikle ilk sırada gösterildiğini göreceksiniz.

Daha fazla okuma: Drone'unuzun Motorlarını ve Pervanelerini Neden Test Etmelisiniz

3. Verimlilik ve Performans

Bir drone'un performansından bahsettiğimizde, genellikle uçuş süresini düşünürüz. Maalesef, en gelişmiş batarya teknolojileri ağırlık/enerji oranı açısından benzinli motorlarla rekabet edemez. Tek çözüm, batarya şarjını en verimli şekilde kullanacak elektrik bileşenlerini dikkatlice seçmektir.

Bir bataryanın enerji tüketimini optimize edebilecek birçok faktör vardır. Bu faktörlerden biri motorun verimliliğidir. Daha yüksek verimlilik, ağırlık/enerji oranını artırmaya yardımcı olur, böylece motor ve drone'un kendisinden daha yüksek performans elde edilir. Bir motoru test etmek, bir üreticinin özellikleriyle motorun kalitesi arasındaki farkların farkında olmak için çok önemlidir. Bu fikri göstermek için, farklı fiyat aralıklarına sahip iki benzer BLDC motorun karşılaştırmasını sunuyoruz.

Motorların performansını karşılaştırmak için RCbenchmark Series 1580 itki test standını kullandık. İtki, tork, voltaj, akım, RPM ve verimliliği ölçme yeteneğine sahiptir. Veri toplama işlemi RCbenchmark yazılımı kullanılarak yapılır. Test edilen iki motor, sırasıyla 1500 Kv ve 2300 Kv'lik T2407s'dir. Her iki motor da 4 adıma sahip aynı 7 inç pervaneyi döndürür.

Şekil 7'deki ilk grafik, her iki motorun verimliliğini gaz koluyla karşılaştırır. İkinci grafik, belirli hızlardaki verimliliği gösterir. Açıkça görülüyor ki, daha küçük olan 1500 Kv motorun verimli çalışması için daha fazla gaza ihtiyacı vardır. Bu kurulumda aynı pervane ile 2300 Kv motorun elde edeceği verimliliğe ulaşamayacaktır. Verimlilik aralığı da 2300 Kv motorunda daha iyidir, yani motor hem düşük hem de en yüksek hızda yüksek verimliliği korur.

Öte yandan, daha küçük motor daha yüksek hızda çalışabilir ve muhtemelen daha küçük bir pervane ile daha verimli olacaktır. Taşıma için kullanılan bir drone, düşük hızda boşta kalabilmek ve dengede durabilmek için daha küçük bir motor kullanacaktır.

Tam bir karşılaştırma elde etmek için drone'un amacını ve çalışacağı RPM'yi bilmemiz gerekir. 1500 Kv motorun, farklı bir işlev için uygun olan farklı bir pervane ile daha verimli olması mümkündür. Bunu yalnızca test ederek öğrenebiliriz.

4. Motor Seçimi 

Son olarak, bir motor seçerken nelere bakacağımızdan bahsedelim. En önemli özellik motor Kv'sidir, bu da motora verilen güç için elde ettiğiniz dönme hızını tanımlar. 2000 Kv'lik bir motor, motora gönderilen her volt için dakikada 2000 devirde dönecektir.

Boyut Kv ile yakından ilişkilidir. Geniş ve büyük bir motor genellikle daha yüksek torka sahip olur, ancak Kv'si daha düşüktür ve daha büyük bir pervane kullanır; ince ama daha uzun bir motor ise yüksek Kv'ye, düşük torka sahip olur ve küçük bir pervane için en uygunu olacaktır. Bu, daha büyük bir motorun daha düşük RPM'de çalışırken, küçük bir motorun nispeten yüksek RPM'de çalıştığını düşündüğünüzde mantıklıdır.

Bir motorun maksimum gücü de dikkate alınması gereken bir diğer unsurdur. Motorun güç sınırını aşmak, motorun ısınmasıyla sonuçlanır ve böylece verimliliğini büyük ölçüde düşürür veya hatta ona zarar verir. Marka da bir motorun performansını değiştirebilir. Aynı Kv değeri için, bir markaya ait motor diğerlerinden daha iyi performans gösterebilir. Bu nedenle, bir drone'u etrafında inşa etmeden önce motorunuzu test etmelisiniz.

Daha fazla okuma: Fırçasız Motor Kv ve Motor Kutuplarını Nasıl Hesaplayacağınız

Genel bir kural olarak, aşırı güçlendirme ve aşırı ısınma tehlikesi olmadan mümkün olan en küçük (en hafif) motoru kullanmak akıllıcadır. Bunun nedeni, ihtiyaçtan daha büyük bir motorun fazla ağırlığını azaltmaktır. Ağır kaldırma ve insanlı drone operasyonlarına uygun ürünlere sahip büyük motor üreticileri listesiniderledik.

Sonuç