Fırçasız Motor Nedir?

Yazan: Lauren Nagel

Fırçasız motorlar adeta her yerde karşımıza çıkıyor - ev aletleri, araçlar, el aletleri ve daha fazlası. Peki fırçasız motor nedir ve onu fırçalı bir motordan ayıran nedir?

Fırçasız motor, BLDC motor ile aynı anlama gelir. BLDC motorun açılımı fırçasız doğru akım motorudur.

Bu makalede, bu çok yönlü motor türüyle ilgili tüm temel soruları yanıtlayacağız.

İçindekiler

1. Fırçasız Motor Nedir?
2. Fırçasız Motorların Tarihçesi
3. Fırçasız Motor Mekanizması
4. Fırçasız Motor Şeması
1. Fırçasız motor GIF'i
5. Fırçalı ve Fırçasız Motorlar
6. Fırçasız Motorların Avantajları
7. Fırçasız DC Motor Uygulamaları
8. Drone'lar için Fırçasız Motorlar

Fırçasız Motor Nedir?

Fırçasız DC (BLDC) motor, dönüşünü sağlamak için kalıcı mıknatıslar ile elektromıknatıslar arasındaki itme ve çekme kuvvetlerine dayanan bir elektrik motoru türüdür. BLDC, motorun çalışma şeklini kabaca açıklayan 'brushless direct current' (fırçasız doğru akım) ifadesinin kısaltmasıdır.

Motorun dönüşü, motorun elektromıknatıslarına zamanlanmış akım darbeleri göndererek hızını kontrol eden bir sürücü tarafından yönetilir. 

Şekil 1'de, rotor üzerindeki kalıcı mıknatısları kırmızı ve mavi, statordaki elektromanyetik bobinleri ise bakır renginde görebilirsiniz.

Şekil 1: Fırçasız DC motor şeması

Fırçasız motorlar, alternatiflerine kıyasla yüksek verimlilik ve uzun hizmet ömrüne sahip olmalarıyla bilinir. Bu motor türünü tanımlamak için fırçasız motorlar, fırçasız DC motorlar ve BLDC motorlar dahil olmak üzere birkaç yaygın ifade kullanılır.

Fırçasız Motorların Tarihçesi

Fırçasız DC motorlar, 1962 yılında T.G. Wilson ve P.H. Trickey tarafından icat edilmiş ve AIEE'de yayımladıkları "Solid state commutation'lı DC makinesi" başlıklı makalelerinde sunulmuştur.

Makalede çözmek istedikleri sorunları ve buldukları çözümleri ana hatlarıyla anlatmaktadırlar. Temel hususlar bölümünde, işlevsel bir fırçasız motor üretmek için aşmaları gereken tasarım zorluklarını şöyle özetlerler:

“Armatür iletkenlerinin gerektiği gibi anahtarlanması statik elemanlarla yapılacağı için, anahtarlama elemanlarının kendisinin dönmemesi tercih edilir. Bu, armatür sargısının sabit parçaya yerleştirilmesi ve alan kutuplarının döndürülmesiyle sağlanabilir. Alan elemanı için kalıcı mıknatıs kullanılması, rotorun fırçalar veya trafo etkisiyle beslenmesine olan ihtiyacı ortadan kaldırır [...] armatür akımı tarafından üretilen manyetik alanın ekseni de döndürülmeli ve bunu rotorla tam olarak aynı hızda yapmalıdır. Bu amaçla, rotor kutuplarının açısal konumuna ilişkin bilgiler statöre sürekli olarak iletilmeli, böylece armatür iletkenleri tam olarak doğru şekilde anahtarlanabilmelidir.”

Sonuç bölümünde, icatlarının fırçalı motorlara göre sağlayacağı bazı avantajları ana hatlarıyla anlatmaktadırlar. Önerdikleri iyileştirmelerin inanılmaz derecede isabetli olduğu ortaya çıkmıştır: 

“Fırçalarda ve komütatörlerde karşılaşılan aşınma ve bakımın yanı sıra, normal anlamda radyo parazitlenmesini de neredeyse tamamen ortadan kaldırmalıdır. Makine, uzun ömürlü olmasının yanı sıra son derece yüksek güvenilirliğe sahip olmalıdır.”

Fırçasız motorların en önemli rakibi olan fırçalı motor, bundan 100 yılı aşkın süre önce, 1856 yılında icat edilmişti. O zamandan beri başka gelişmeler de kaydedilmiş olsa da, bu büyük teknolojik yenilenme uzun zamandır beklenen bir durumdu.

Fırçasız Motor Mekanizması

Fırçasız motorun çalışması için iki temel parçaya ihtiyacı vardır: 1) Kalıcı mıknatısları barındıran rotor, 2) İçinden akım geçtiğinde elektromıknatısa dönüşen bakır bobinleri barındıran stator. 

Fırçasız motorlar, statorun dışarıda, rotorun ise içinde bulunduğu ve dönerek çalıştığı inrunner motorlar veya rotorun statorun dışında döndüğü outrunner motorlar olabilir.

Fırçasız motor mekanizmasının daha ayrıntılı bir açıklaması için Fırçasız Motorlar Nasıl Çalışır makalemize göz atın.

Şekil 2: Bir inrunner motor (sol) ve bir outrunner motor (sağ)

Statorun bir bobinine akım verildiğinde, bobin elektromıknatısa dönüşür ve bir Kuzey ile Güney kutbu kazanır. Elektromıknatısın kutupluluğu karşılaştığı kalıcı mıknatısın kutupluluğuyla eşleştiğinde, aynı kutuplar birbirini iter ve rotor döner.

Akım bu konfigürasyonu korusaydı, rotor kısa bir süre döner ve ardından karşıt elektromıknatıslar ile kalıcı mıknatıslar hizalandığında dururdu. Bu nedenle akım, elektromıknatısların kutupluluğunu sürekli olarak değiştirerek rotorun dönmeye devam etmesini sağlayan üç fazlı bir sinyal olarak iletilir.

Motor, üç fazlı sinyalin frekansına eşit bir hızda döner; bu nedenle motorun daha hızlı gitmesini istiyorsanız sinyalin frekansını artırırsınız. Uzaktan kumandalı bir araçta hız, sürücüye sürücü ünitesine anahtarlama frekansını artırmasını söyleyen gaz kolunu artırarak artırılır.

Bobinlerin nasıl ve ne zaman enerjilendirileceğini bilmek için motor, rotorun ve statorun göreceli konumunu belirlemek üzere Hall Etkisi sensörlerini kullanır. Bu sayede statordaki elektromıknatıslar doğru sırayla ve doğru zamanda etkinleştirilir ve motor hareket etmeye devam eder.

Fırçasız Motor Şeması

Fırçasız motor mekanizması, aşağıda görebileceğiniz bir şema / GIF ile en kolay şekilde gösterilir.

Şekil 3: Fırçasız motor GIF'i

Fırçasız motorlar inrunner veya outrunner olabilir. Yukarıdaki şemada bulunan motor, kalıcı mıknatısları içeren rotoru statorun dışında yer aldığı için bir outrunner'dır. Her kalıcı mıknatıs ayrıca bir 'kutup' olarak da adlandırılır ve motorun kutup sayısı performansını etkileyebilir.

Kalıcı mıknatıslar, hizalandıklarında elektromıknatıslar tarafından itilir ve stator sabit kalırken rotorun bir daire etrafında dönmesini sağlar; bu durumda saat yönünün tersine döner (Şekil 3).

Sağdaki motor sürücüsü, ayrıca elektronik hız kontrolörü (ESC) olarak da adlandırılır; bir tarafı güç kaynağına veya pile, diğer tarafı ise motora bağlanır. Doğrudan gaz giriş aygıtına veya radyo sinyali gibi uzaktan bir bağlantıya bağlanabilir. ESC, sürücü ünitesinden gelen gaz sinyalinin frekansını alır ve anahtarlama frekansını ayarlayarak motora ne kadar hızlı döneceğini söyler.

Daha fazla okuma: Elektrik Motoru Hızı Nasıl Kontrol Edilir

Fırçalı ve Fırçasız Motorlar

Fırçalı motorlar, dönüşünü sağlamak için manyetizma kavramına dayanan bir başka elektrik motoru türüdür.

Fırçalı motorlar ile fırçasız motorlar arasındaki temel farklar mekanizmaları, verimlilikleri ve hizmet ömürleridir. Farklar bu tabloda özetlenmiş, ardından aşağıda detaylandırılmıştır. 

	Fırçalı Motor	Fırçasız Motor
Komütasyon	Mekanik	Elektriksel
Verimlilik*	Daha düşük (tipik %75-80)	Daha yüksek (tipik %85-92+)
Isı	Daha yüksek (giriş gücünün %20-25'i)	Daha düşük (giriş gücünün %8-15'i)
Başlangıç maliyeti	Daha düşük	Daha yüksek
Bakım gereksinimleri	Daha yüksek	Daha düşük
Motor hızı kontrolü	Basit	Daha karmaşık
Ömür	Daha düşük	Daha yüksek
Elektriksel gürültü	Daha yüksek	Daha düşük
Ateşleme güvenliği	İyi	Çok iyi
Düşük hız kontrolü	İyi	İyi
Maksimum hız	~20.000 RPM	>100.000 RPM
Tork/ağırlık oranı	Daha düşük	Daha yüksek

* Tork ve hızın verimli çalışma aralığının dışında çalışan herhangi bir motor düşük verimliliğe (<%50) ve yüksek ısı üretimine sahip olacaktır.

Komütasyon: Fırçalı bir motorda akım, fırçalarla kurulan fiziksel temas aracılığıyla komütatörden motor sargılarına iletilir. Fırçasız bir motorda akım, yarı iletken anahtarlar aracılığıyla stator bobinlerinin açılıp kapatılmasıyla elektriksel olarak kontrol edilir.

Verimlilik: Fırçasız motorlar, çekilen güç başına fırçalı motorlara göre daha yüksek tork sağlayarak daha verimli hale gelir.

Başlangıç maliyeti: Fırçasız motorlar, sürücülerinin artan karmaşıklığı nedeniyle genellikle aynı boyuttaki fırçalı motorlardan daha pahalıdır.

Bakım gereksinimleri: Fırçalı motorlarda komütatör ile fırçaların birleştiği yerler hızla aşınma eğilimindedir ve bu nedenle bileşenlerin daha sık değiştirilmesi gerekir. Fırçasız motorlarda aynı derecede aşınma yaşayan herhangi bir bileşen bulunmadığından bakım / değiştirme ihtiyacı daha azdır.

Motor hızı kontrolünün karmaşıklığı: Fırçalı bir motorda motorun hızı, ona uygulanan voltajla basitçe kontrol edilir. Fırçasız bir motorda motor sürücüsü, dönüş hızını kontrol etmek için üç fazlı bir sinyal kullanır; bu nedenle sinyal iletimi daha karmaşıktır.

Ömür: Fırçasız motorlar, bileşenler arasında aynı aşınma ve erozyona maruz kalmadıkları için fırçalı motorlara göre daha uzun bir hizmet ömrüne sahiptir. Bununla birlikte, fırçalı motorlar hizmet ömürlerini uzatmak için bazen yeniden üretilebilir.

Elektriksel Gürültü: Motorlar tarafından üretilen akustik gürültüye ek olarak, sistemin diğer bileşenleriyle etkileşime girebilecek elektriksel gürültü de üretebilirler. Fırçalı motorlar, fırçasız motorlara göre daha fazla elektriksel gürültü üretme eğilimindedir ve bu durum yerel devrelerde elektromanyetik parazitlenmeye neden olabilir. Uygun bir yalıtım yapılmadığında, bu parazitleme devre arızalarına ve performans düşüşüne yol açabilir.

Ateşleme güvenliği: Fırçasız motorların yanıcı malzemeleri tutuşturabilecek kıvılcımlar üretme olasılığı çok daha düşüktür.

Düşük hız kontrolü: Fırçalı motorlar, düşük hızlarda iyi çalışan basit bir kontrol sistemine sahiptir. Açısal kodlayıcılar ve kontrol elektronikleriyle birleştirildiğinde fırçasız motorlar da çok düşük hızlarda dönebilir. Bu, hoverboard'lar veya yüksek güçlü servo motorlar gibi uygulamalar için idealdir. ODrives, bu tür uygulamalar için açık kaynaklı bir sürücü sunar.

Maksimum hız: Fırçalı motor tasarımına özgü sürtünme nedeniyle yüksek devirlerde kullanıma uygun değildir. Motorun fırçaları hız arttıkça ısınma eğilimindedir ve bu durum artan aşınmaya ve yüksek sıcaklıklara yol açar. Öte yandan fırçasız motorlar, fırça eksikliği nedeniyle bu sorunla karşılaşmazlar ve çok yüksek devirlerde çalıştırılabilirler.

Tork/ağırlık oranı: Fırçalı motorlar, özellikle düşük hızlarda önemli miktarda tork üretebilse de, benzer miktarda tork üreten fırçasız motorlar önemli ölçüde daha küçüktür; bu da onlara tork/ağırlık oranında bir avantaj sağlar.

Fırçasız Motorların Avantajları

Önceki bölüm fırçalı ve fırçasız motorlar arasındaki önemli farkları ele alsa da soru hala geçerlidir: Fırçasız motorlar doğası gereği daha mı iyidir?

Pek çok mühendislik sorusunda olduğu gibi, karar motoru kullanma amacınıza bağlıdır. Fırçalı motorların yüksek devirli uygulamalar için ideal olmadığını biliyoruz, bu nedenle bu alanlarda fırçasız motorlar öne çıkar. Fırçalı motorların düşük verimliliği ve yüksek bakım maliyeti de onları belirli kullanımlar için daha az tercih edilebilir hale getirir.

Bununla birlikte, fırçalı motorların daha düşük bir başlangıç maliyeti ve basit bir hız kontrolü vardır ve düşük hızlarda pürüzsüz, yüksek torklu hareket sağlarlar. Ayrıca doğrusal bir tork-hız ilişkisine sahiptirler, bu da onları kontrol etmeyi kolaylaştırır. Zamanla aşınsalar bile, diğer özellikleri onları düşük hızlı endüstriyel ekipmanlar, blenderlar, silecekler ve mobil tıbbi ekipmanlar gibi belirli cihazlar için ideal seçim haline getirir.

Şekil 4: Sileceklerdeki fırçalı motorlar

Öte yandan fırçasız motorlar, testereler, fanlar ve pervaneler gibi yüksek devrin gerektiği alanlarda öne çıkar. Ayrıca tork/ağırlık oranlarında da avantaja sahiptirler; bu durum drone'lar ve elektrikli uçaklar gibi belirli araçlarda ve mikrorobotik gibi küçük ama güçlü bir motorun gerektiği alanlarda kullanım için önemlidir.

BLDC motorlar ayrıca kablosuz aletler, RC araçlar, ısıtma ve soğutma sistemleri ve endüstriyel mühendislik gibi yüksek kullanımın beklendiği ve yüksek verimliliğin gerektiği uygulamalar için de uygundur. Bir örnek, sürücüsüz arabalar ve gözetleme dronları gibi robotik navigasyon ve konumlandırma sistemlerinde kullanılan Işık Algılama ve Uzaklık Ölçümü (LiDAR) sistemleridir.

Şekil 5: Robotik navigasyon uygulamaları için kullanılan RPLiDAR Sistemi

Fırçasız DC Motor Uygulamaları

Fırçasız motorların bazı uygulamalarına biraz daha yakından bakalım.

Endüstriyel mühendislik: Fırçasız motorlar, yüksek torkları ve uzun ömürleri sayesinde birçok endüstriyel mühendislik süreci için kullanışlıdır. CNC makinelerinde, lineer motorlarda ve servomotorlarda kullanıldıklarını görebilirsiniz. Ayrıca Tata Steel'in Birleşik Krallık tesisinde olduğu gibi boyama, ürün montajı ve hatta kaynak yapma gibi görevlerde endüstriyel robotlardaki hareketleri kontrol etmek için aktüatör olarak da kullanılırlar (Şekil 6).

Evde: Düşük ağırlıkları ve yüksek verimlilikleri sayesinde fırçasız motorlar birçok ev aleti için en iyi tercihtir. Evin hemen hemen her odasında bulunan elektrikli süpürgeler, kahve makineleri, saç kurutma makineleri, sabit diskler, yazıcılar ve daha fazlası gibi cihazlarda yer alırlar. Bu cihazların çoğu çok yüksek miktarlarda üretildiği için, müşteri iadeleri ve bakım sorunlarıyla uğraşmamak adına yüksek kaliteli ve güvenilir olmaları önemlidir.

Kablosuz elektrikli el aletleri: Fırçasız motorlar şarj edilebilir pillerle çalışabildiği için minimum ağırlık ve yüksek devir sayısı gerektiren kablosuz uygulamalar için idealdir. Kablosuz matkaplar yaklaşık on yıl önce piyasaya sürüldü ancak günümüzde mevcut modellerin %50'sine kadarını temsil etmektedir. Bu, fırçasız motorların hala fırçalı motorlarla rekabet etmesi gereken bir alandır; bu nedenle hangi modeli seçeceğinize karar verirken fiyat ve kullanım sıklığı temel faktörlerdir.

RC Arabalar: Fırçasız motorlar çok yüksek devirlerde dönebilir ve hız patlamaları sağlayabilir, bu nedenle RC araçlarda kullanıma çok uygundur. RC motorunun motor Kv'si, boyutu ve güç derecelendirmesi gibi özellikleri modele göre değişiklik gösterir. RC arabalarda daha uzun çalışma süresi sağlayan nitro motorlar da bulunabilir ancak yakıt satın alma ve aracı yakıtlandırma gibi zorlukları beraberinde getirir. Fırçasız motorlar nitro motorlara göre ivmelenme konusunda avantajlı olma eğilimindedir, bu nedenle genellikle yarışlar için daha iyidir.

Şekil 7: Fırçasız motorla çalışan arazi tipi Monster Truck RC Arabası

Drone'lar için Fırçasız Motorlar

Fırçasız motorların birleşik özellikleri onları drone'larda kullanıma ideal hale getirir. Hafiftirler, yüksek verimliliğe sahiptirler, geniş bir hız aralığına ve yüksek tork kapasitesine sahiptirler; bunların tümü İHA'lar için faydalı niteliklerdir.

Hobi drone'ları için fırçasız motorlar nispeten ucuzdur, bu da drone üreticilerinin hangi modellerin en verimli olduğunu belirlemek için farklı modelleri denemesine olanak tanır. Yüksek güvenilirlikleri sayesinde bakım nadiren gerekir ve motoru onarmaktan ziyade değiştirmek genellikle daha az maliyetlidir.

Daha büyük ticari drone'lar ve insanlı drone'lar için, daha fazla güç, tork ve itki taleplerini karşılamak üzere daha büyük fırçasız motorlar sürekli olarak geliştirilmektedir. Bu motorlar, mevcut uçak modellerinin elektrikli hale getirilmesini ve yeni eVTOL hava araçlarının tasarlanmasını içeren ulaşım sektöründeki elektrikli devrime katkıda bulunmaktadır.

Boyut, stil, güç kaynağı ve işlev açısından farklılık gösteren birçok drone türü bulunmaktadır. Fırçasız motorlar birçok uygulama için uygundur, ancak benzinli ve hibrit motorlar da kullanılmaktadır.

Drone'unuz için fırçasız motor seçimi hakkında daha fazla bilgi için Drone Yapımı ve Optimizasyonu Hakkında Ücretsiz E-Kitabımıza göz atın.

Sonuç

Fırçasız motorlar hayatımızın hemen hemen her alanında bulunabilir ve popülerlikleri artmaya devam etmektedir. Evden endüstriyel ortamlara kadar bu motorlar kompaktlıkları, verimlilikleri ve güvenilirlikleriyle bizi etkiler. 

Bu büyüleyici makineleri anlamak, burada ele aldığımız kavramlar olan elektromanyetizma ve elektrik mühendisliği hakkında biraz ön bilgi gerektirir. 

Aklınızda kalan herhangi bir soru varsa, aşağıda bize yorum bırakmaktan çekinmeyin veya bilgi merkezimizdeki diğer makalelere göz atın.