08.05.2012 Doğru Akım Motorları Yrd. Doç. Dr. Aytaç Gören
İçerik Doğru Akım Elektrik Motorları Doğru Akım Motorlarının Kısımları ve Özellikleri Güç Hesabı Adım (Step) Motorlar Servo Motorlar Lineer Servo Motorlar 25.11.2011 2
Doğru Akım Motorları Gramme Halkası İlk DC Motor olarak kabul edilir. 3
Doğru Akım Elektrik Motorları Elektrik Motorları Alternatif Akım (AC) Motorları Doğru Akım (DC) Motorları Senkron İndüksiyon (Asenkron) Dışarıdan Uyarmalı Kendinden Uyarmalı Tek Fazlı Üç Fazlı Seri Bileşik Şönt 4
Doğru Akım Elektrik Motorları Doğru Akım (DC) Motorları Dışarıdan Uyarmalı Kendinden Uyarmalı Seri Bileşik Şönt 5
Alan Kutupları Basit bir DA motorunda kuzey ve güney kutuplarını oluşturan bir çift mıknatıs vardır Manyetik alan oluşturmak için elektriği kullanır. Armatür Kutuplar arasındaki silindire benzer kısımdır Akım geçerken elektromıknatıs olur Motor çıkış miline bağlıdır Komütator Doğru Akım Elektrik Motorlarının Kısımları Armatürdeki akım yönünü değiştirir 6
Doğru Akım Elektrik Motorlarının Özellikleri Hız kontrolü Armatür gerilimi değiştirilerek Alan akımı değiştirilerek yapılabilir. Sınırlı kullanım Yavaş ve orta hız uygulamalarında kullanılır Temiz, güvenli koşullarda kullanılırlar. AA Motorlara göre pahalıdır 7
Doğru Akım Elektrik Motorlarının Özellikleri Hız, mayetik akı ve armatür gerilimi arasındaki ilişki Zıt EMK: E = K n Tork: T = K I a E : Armatür terminalindeki elektromanyetik kuvvet [V] : Alan akısı (Alan akımıyla orantılıdır) n : Hız [dev/dak] T : Elektro manyetik tork I a : Armatür akımı [A] K : Denklem sabiti 8 UNEP 2006
Doğru Akım Elektrik Motorlarının Çeşitleri Ayrık Uyartım Akımlı Doğru Akım Motoru: Alan akımı dış bir kaynaktan sağlanır. Şönt Motor: Uyartım akımı motorun kendisi tarafından sağlanır. Alan sargıları armatür sargılarıyla paraleldir. Toplam Akım = Alan Akımı + Armatür Akımı Belirli tork değerine kadar hız sabiti yükten bağımsızdır Hız Kontrolü: armatüre direnç bağlanır ya da alan akımıyla sağlanır 9
Doğru Akım Elektrik Motorlarının Özellikleri Dışarıdan Uyartımlı DA Motoru 10
Doğru Akım Elektrik Motorlarının Çeşitleri Kendinden Uyartımlı Seri Motor Yüksek başlangıç torku gereken yerlere uygundur: Örn. yük asansörü veya vinç gibi Alan sargısı ile armatür sargısı birbirine seri bağlıdır. Alan akımı=armatür akımı Hız 5000 dev/dak ya sınırlıdır. Yüksüz çalıştırmaktan kaçınınız: Hız kontrolsüzdür. 11
Bileşik DA motorunun seri kısmının yüzdesi fazla ise yüksek başlangıç torku üretir. Krenler, yük asansörleri gibi uygulamalarda kullanılabilir. Alan sargısı, armatür sargısına hem seri hem paraleldir. Doğru Akım Elektrik Motorlarının Çeşitleri Bileşik DA Motoru Tork üretme karakteristiği iyi ve stabil bir hız karakteristiği vardır. Seri yüzdesi fazla ise, başlangıçta yüksek tork üretebilir. 12
Doğru Akım Elektrik Motorları Doğru Akım (DC) Motorları Fırçalı Fırçasız AA Asenkron Motorların yapısına dikkat edin 13
Doğru Akım Motorları Güç Hesabı Parametre Gösterim Parametre Gösterim Motordan geçen akım [A] I m EMK [volt] E Motor indüklenmiş gerilim sbt. [ ] k E İletkenin hızı [m/s] v Motor tork sbt. [ ] k T İletkenden geçen akım [A] i Açısal hız [rad/s] ω m İletkenin boyu [m] l Mildeki tork [Nm] T mil motor stator boyu [m] l m Slot başına iletken sayısı [ ] N Manyetik akı yoğunluğu [Wb/m 2 ] B Kutup çifti sayısı [ ] P Kuvvet [N] F Hava aralığı akı yoğunluğu [Wb/m 2 ] B g Güç [W] P Motorun hava aralığı yarıçapı [m] r m İndüklenmiş motor gerilimi [V] E m E=B l v T mil = I m k T k T = k E = 2 N 2p B g l m r m F=Bil E m =k E ω m P = E m I m = k E ω m (T mil / k T ) = ω m T mil Temelde kullanılan öncelikli iki denklem Faraday Yasası ve Lorenz Kuvveti dir. Kayıpların olmadığı kabulü ile yandaki denklemler kullanılabilir. 14
Doğru Akım Motorları Manyetik Devre Parametre Rotor çapı Kutup sayısı Oluk sayısı Kutup aralığı Oluk aralığı Endüvi boyu (derinlemesine) Bir bobinin oluşturduğu magnete motor kuvvet Uyarma akımı Her bir bobinin sarım sayısı Gösterim D 2p N a T P T A l Q f I f W f Φ = B fm = 2 Q f =V Fe +2V L Q f =W f I f B=H μ 15
Doğru Akım Motorları Rotorda İndüklenen Gerilim, Manyetik Motor Dönme Momenti x 2 1 bobinin ortası v Parametre Bobin eni Çift kutup sayısı Rotorun çevresinin uzunluğu Hız Zamana bağlı indüklenen gerilim İki fırça arasındaki bobinin sarım sayısı Gösterim d p x x zamana göre değişir. Bu durumda indüklenen gerilim; 16
Doğru Akım Motorları Rotorda İndüklenen Gerilim, Manyetik Motor Dönme Momenti x 2 1 bobinin ortası v Parametre Bobin eni Çift kutup sayısı Rotorun çevresinin uzunluğu Hız Zamana bağlı indüklenen gerilim İki fırça arasındaki bobinin sarım sayısı Gösterim d p x Elektrik motorlarında indüklenen akım, alternatif akımdır. Kollektörlerden fırçalara geçerken doğru akım olur. Devir sayısı, elektrik motorlarında genelde doğrusal hıza göre daha fazla kullanılan bir parametredir. 17
Doğru Akım Motorları Rotorda İndüklenen Gerilim, Manyetik Motor Dönme Momenti x 2 1 bobinin ortası v Parametre Bobin eni Çift kutup sayısı Rotorun çevresinin uzunluğu Hız Zamana bağlı indüklenen gerilim İki fırça arasındaki bobinin sarım sayısı Gösterim d p x Elektrik motorundaki moment denklemi jeneratörlerde indüklenen gerilim denklemi ise 18
Doğru Akım Motorları Eşdeğer Devre Elektrik motorlarının gösteriminde ve modellenmesinde kolaylık sağlanması açısından eşdeğer devreleri ile gösterilebilirler. Aşağıdaki şekilde statoru sabit mıknatıs ve rotoru sargı olan bir doğru akım motoru ve bu motora ait eşdeğer devresi görülebilir. 19
Doğru Akım Motorları Eşdeğer Devre Parametre Armatür (rotor) direnci Armatür endüktansı Armatür akımı Uygulanan giriş gerilimi Zıt elektromotor gerilimi Hava aralığı akısı Moment sabiti Zıt elektromotor sabiti Yük momenti Motor momenti Rotor açısal hızı Rotorun açısal konumu Viskoz sürtünme katsayısı Motor eylemsizliği Gösterim R a L a I a V a V b K i K b T L T m m m B m J m 20
Doğru Akım Motorları Güç Doğru akım bir elektrik motorunun nominal gücü aşağıdaki denklemdeki gibi ifade edilebilir. Bu denklemde, U DC [V] motora verilen gerilimi ve I DC [A] ise motorun çektiği akımdır. Aşağıdaki denklemlerde, P giriş [W] motorun adlandırılmasında kullanılan gücü veya elektriksel gücü, P çıkış mekanik gücü [W, HP] ya da çıkış gücünü veya anma gücünü (nominal gücü), ω m motor milinin dönüş hızını [devir/dakika, RPM], T m ise motor milinden elde edilen torku [Nm] ifade eder. P kayıp ölçülen kayıp gücü [W], η ise motor verimidir [%]. P giriş =U DC I DC P çıkış = ω m T m ( 2π / 60 ) P kayıp = P giriş P çıkış η=( P çıkış / P giriş )x100 21
Doğru Akım Motorları Kayıplar P giriş Kayıplar Mekanik sürtünme kayıpları Demir kayıpları (histerezis ve girdap akımları kayıpları) Endüvi ohmik güç kaybı Gösterim P ks P kfe P ka P ka P çıkış P ks P kfe 22
Fırçalı Doğru Akım Motorları Demir nüveli bir bobinden elektrik akımı geçirildiğinde, rotorun bir kutbu statorun N kutbu tarafından itilirken, diğer kutbu ise S kutbu tarafından çekilecektir. Fleming in sol el kuralına göre, bu durum rotorda bir dönme etkisi yapar. Bu dönüşün yönünü sabit tutmak ve hızın devamlılığı için motor komütatörleri akım yönünü iki kutuplu bir doğru akım motorunda her yarım dönüşte ters çevirir. 23
Fırçasız Doğru Akım Motorları Bu motorda rotor kısmı sabit mıknatıslardan oluşmakta, dolayısıyla da fırçalar bulunmamakta, sürtünme ve arklar olmadığı için verimi oldukça yükselmektedir. Rotorun direkt olarak dönmesi istenilen yere bağlanması neticesinde aktarmadan oluşan kayıplar da engellenmektedir. İçte bulunan stator kısmının üzerine dönebilecek şekilde rotor kısmı bağlanmaktadır. Stator oluk sayısı rotorun mıknatıs sayısı ile belirli sayıda tutularak belirlenmektedir. 24
Fırçasız Doğru Akım Motorları + Rotor Stator DC V _ 120 derece, 6 durumlu DGM anahtarlama hız bilgisi Hız kontrol algoritması Hall etkisi konum algılayıcıları Üç fazlı doğru akım motoru ve sürülmesi. 25
Fırçasız Doğru Akım Motorları DC V + _ Konuma göre sinyal kontrolü Hız Kontrolü Bir önceki sayfadaki şekilde de görüldüğü üzere, motor sargıları, yıldız şeklinde bağlıdır. Yüksek verim hedeflenen, bu yapıya sahip bir motorun rotor mıknatıslarının hangi konumda olduğunun bilinmesi motorun doğru sürülebilmesi açısından önemlidir. Bu amaçla stator üzerine rotorun hangi konumda olduğunu belirlemek amacıyla hall etkisi algılayıcıları yerleştirilmiştir. Üç adet algılayıcı ile rotorun mıknatıslarının hangi konumda olduğunun bilgisi sürücü kartına gönderilerek, hız bilgisini almak ve anahtarlama durumunu belirlemek için kullanılır. 26
Fırçasız Doğru Akım Motorları Faz B ABC [100] ABC [110] Faz A ABC [010] ABC [101] ABC [011] ABC [001] Faz C Fırçasız DA motorunda altı adım kontrolde stator akı vektörleri (algılayıcı çıktıları [ABC] olarak gösterilmiştir.) Fırçasız DA motorun fırçalı DA motoruna göre yüksek verimini sağlayan sürtünme ve ark kayıplarının olmaması ile devrede efektif olan sargıların olması, histerezis kayıplarının ince ve farklı malzemeden kullanılan sargı nüve malzemesi ile giderilmesi gibi etkenler sayılabilir. Yandaki şekilde motorun devrede kalan sargıların tespiti için algılayıcıların kullanılma mantığı anlatılmaya çalışılmıştır. Bu mantığa göre, A B ve C fazlarından birisi ya da ikisi rotorun konumuna göre aktif olmakta, böylece mıknatıs ve sargıların birlikte çalışması daha etkin olması sağlanmaktadır. 27
Fırçasız Doğru Akım Motorları 28
Adım (Step) Motorlar Adım (Step) motorlar terminallerine voltaj uygulandığında dönen doğru akım motorlarından farklı çalışırlar. Elektriksel her bir darbe sinyalini ayrı mekanik hareketlere çevirirler. Step motorlarda ortada mıknatıs veya metalden oluşan rotor ve statoru çevreleyen bobinler vardır. Step motorun rotorunun etrafını çevreleyen bobinlere sürücü devre tarafından sinyaller gönderilir. Böylece yaratılan elektromanyetik etki ile step motor küçük bir dönüş yapar. Diğer sinyalde bir sonraki bobine sinyal verilmesiyle elektromanyetik çekim bu kez de o bobine doğru gerçekleşir ve böylece küçük hareketlerle dönme işlemi sürdürülür. Bu küçük dönüş hareketlerinin her birine bir adım denir. 29
Adım (Step) Motorlar Avantajları: Adım motorlar açık devre kontrol ile hassasiyet gerektiren yerlerde kullanılır. Çünkü step motorların adımlarındaki hata sayısı düşüktür ve bir adımdaki hata bir sonraki adımı etkilemez. Step motorların dönüş açısı, giriş darbe sinyali sayısı ile orantılıdır. Step motorlar durmak, yön değiştirmek ve harekete başlamak için gönderilen sinyallere çabuk cevap verirler. Dijital olarak kontrol edilebildikleri için bilgisayar kontrollü uygulamalarda kullanılmaya da yatkındırlar. Step motorların hızı giriş sinyalinin frekanslarıyla orantılıdır. 30
Adım (Step) Motorlar Adım Motorların Dezavantajları: Adım motorlarında diğer motorlara göre daha fazla olan titreşim bazı hız değerlerinde tork kayıplarına neden olabilir. Bu titreşimler faz sayısı fazla olan motorlarda faz sayısı az olan motorlara göre daha azdır. Titreşimlerden doğan tork kaybı sorununu çözmek için step motoru titreşim yaratacak hız aralığında çalıştırmamaya özen gösterilmelidir. Çok yüksek hızlarda kolaylıkla kontrol edilemezler. Step motorlar, DA ve Servo motorlara göre daha karmaşık sürücü devrelere ihtiyaç duyabilirler. 31
Adım (Step) Motorlar Adım Motor Çeşitleri Sabit Mıknatıslı Step Motorlar (Permanent Magnet Stepper Motors-PM) Bu tip adım motorlarda isminden de anlaşılacağı gibi adım motorun rotor kısmında sabit mıknatıslar bulunur. Kuzey ve güney kutupları rotor şaftına paralel düz çizgiler halindedirler. Sabit mıknatıslı adım motorların stator bobinlerine uygulanan gerilime ve bobinlerden geçen akımın yönüne bağlı olarak adım motorun dönüşü sağlanır. Bu mıknatıslanan rotor kutupları manyetik akış yoğunluğunu arttırır. Bu durumdan dolayı sabit mıknatıslı adım motorlar, değişken relüktanslı adım motorlara göre daha gelişmiş tork karakteristiklerine sahiptirler. Statorun sargılarından geçen akım büyüdükçe, elektromanyetik alan ve buna bağlı olarak da tork artar. Manyetik kutup sayısı ve stator dişleri ne kadar az ise adım sayısı o kadar azalır ve buna bağlı olarak da adım açısı artar. 32
Adım (Step) Motorlar Değişken Relüktanslı Step Motorlar (Variable Reluctance Stepper Motors-VR) Step motorların en basit tipi olan değişken relüktanslı step motorlarda rotor yumuşak demirdendir ve etrafında silindir eksenine paralel dişler vardır. Stator dişlerine DA verildiğinde kutuplar mıknatıslanır ve stator dişlerinin rotor dişlerini çekmesiyle adım hareketi gerçekleşir. Değişken relüktanslı adım motorların rotorları sabit mıknatıslılara göre daha küçük ve hafif olması onları daha hızlı yapar. Değişken relüktanslı adım motorlarda stator dişleri ile rotor dişleri arasındaki boşluk ne kadar az olursa, oluşan manyetik kuvvetin aradaki hava boşluğundan dolayı uğrayacağı kayıp da o kadar düşük olur. 33
Adım (Step) Motorlar Hibrit Adım Motorlar (Hybrid Stepper Motors-HB) Hibrit adım motorlar adım kararlılığı, tork ve hız bakımından daha iyi bir performansa sahip olduklarından sabit mıknatıslı adım motorlara göre daha pahalıdırlar. Tipik hibrit adım motorlarının adım açıları 3,6 0 ile 0,9 0 aralığındadır. Hibrit adım motorlar, sabit mıknatıslı step motorların ve değişken relüktanslı adım motorların en iyi yanlarını bir araya toplar. Rotor değişken relüktanslılarda olduğu gibi çok dişlidir ve şaftı etrafında eksensel olarak magnetize olmuş eşmerkezli bir mıknatıs içerir. Rotor etrafındaki dişler, hava boşluğu içinde manyetik akımın istenilen poziyona gelebilmesi için daha iyi bir yol sağlar. Böylece hibrit adım motorlarda, değişken relüktanslı ve sabit mıknatıslı tiplere tutunma ve dinamik tork daha yüksek olur. 34
Adım (Step) Motorlar İki Fazlı Step Motorlar: İki fazlı adım motorlarda iki farklı elektromanyetik bobin sarım şekli vardır. Bunlar unipolar ve bipolar sarım şekilleridir. Unipolar Step Motorlar: Faz başına iki sargı içeren adım motorlardır. Bu sargılardan biri akım yönü içindir ve bu sayede manyetik kutuplar, akım yönü değiştirilmeksizin terslenebilir. Bu sayede her sarım için komütasyon devresi çok kolay şekilde (bir transistör ile) yapılabilir. Genelde her sarım için bir uç ortaktır, her faz için de 3 uç vardır. İki fazlık bir step motorda 6 uç bulunur. Sıklıkla bu iki fazın ortak uçları içeride birleştirilir, sonuçta 5 kablo ucu olur. 35
Adım (Step) Motorlar Bipolar Step Motorlar Faz başına tek sargı içeren step motorlardır. Manyetik kutbu terslemek için sarımdaki akımı ters yöne çevirmek gerektiğinden, bipolar adım motorların sürücü devreleri unipolarlara göre daha karmaşıktır. Sürücü devre olarak genellikle H köprüsü devreleri kullanılır. Bipolar adım motorlarda faz başına iki uç vardır ve ortak uç yoktur. Sarımlar bipolar step motorlarda daha iyi kullanıldığından aynı ağırlığa sahip unipolar ve bipolar step motorlardan bipolar olanın torku daha yüksektir. 36
Adım (Step) Motorlar 37
Servo Motorlar 38
Servo Motorlar Motor güç mili dışında, rotorun pozisyonunu ya da hızını belirlemek amacıyla bir çıkış mili daha olan ve bu mile bağlı enkoder, potansiyometre v.b. gibi geri besleme alınabilecek bir çıkışı olan motorlara servo motor denilir. Alternatif akım ya da doğru akımla çalışan farklı tipleri mevcuttur. 0,05 beygir gücünden 1000 BG ne kadar farklı güçlerde olabilirler. Konum kontrolü ya da hız kontrolü gereken endüstriyel uygulamalarda, hobi amaçlı modellerde ve robotik uygulamalarda sıklıkla kullanılırlar. Çalışma prensipleri standart doğru akım motoru veya alternatif akım motoru ile aynı olmasına rağmen tasarımları, atalet momentlerini minimize edecek şekildedir.bununla birlikte kompanzasyonları kendi içinde yapılmıştır. Bknz. Ref. 39
Servo Motorlar Bknz. Ref. 40
Servo Motorlar Lineer Servo Motorlar Motor yapısının bir doğru boyunca açıldığı varsayılırsa, bu doğru üzerinde hareket eden rotorun doğrusal bir hareket yapar. Bu sayede, bir aktarıma gerek olmadan rotor direkt olarak hareket çıkış noktası olur. Rotor konum bilgisinin alınması ile istenilen konuma istenilen hızda gitmesi sağlanabilir. Bu tip motorlara doğrusal servo motor denilir. Konum geri beslemesi, doğrusal ölçüm elemanları ile (lineer cetvel, doğrusal potansiyometre v.b.) ya da fırçasız motorlardaki gibi olabilir. 41
Servo Motorlar Lineer Servo Motorlar 42
Referanslar: 1. Güneş Arabaları İçin Yüksek Verimli Fırçasız Doğru Akım Motoru Tasarımı ve Üretimi, A.Gören, End.& Otomasyon, 2011. 2. http://ocw.mit.edu 3. http://en.wikipedia.org 4. http://www.energyefficiencyasia.org 5. http://www.robotiksistem.com/step_motor_cesitleri.html 6. http://nylander.wordpress.com/category/physics/magnetism/ 7. http://www.newmarksystems.com/linear-stage-etrack.html 8. http://www.bilgiustam.com/servo-motor-nedir-nasil-calisir/ 9. http://www.seattlerobotics.org 10. http://www.nedirkimdirnasil.com/index.php/servo-motorun-plcile-kontrolu/ 11. http://machinedesign.com/article/linear-actuators-get-a-servolook-0124