Brushless ( fırçasız) motorlarda fırça ve kollektör bulunmaz bu yüzden bu motorlara fırçasız motor denir. Fırçasız (Brushless) BLDC motor, teknolojinin gelişmesi ile robotik alanda da kullanılmaya başlanmıştır.
Fırçalar aşındıkları için zaman içinde bakım gerektirir. Bu durumda bakıma gereksinimi olan bir motorun disket veya CD sürücü gibi sabit dönme sayısı istenen ortamlarda kullanıldığında, ilerleyen zaman içerisinde dönme sayısında bir değişiklik olur. Fırça ve komütatörün yerini yarı iletken anahtar aldığı zaman fırçasız (brushless) DC motorlar meydana gelir.
Bu motorların rotor kısmında güçlü doğal mıkantıs kullanılmaktadır. Statorda ise bobinli sargıları mevcuttur. Brushless dc motor gelişen teknoloji ile birlikte birçok alanda olduğu gibi robot projelerinde kullanım alanı bulmuştur.
RC arabalarda, helikopterlerde, fotokopi makinaları, yazıcılar, teyp sürücüleri, optik tarayıcı ve tıp cihazları gibi yüksek güç gerektiren yerlerde kullanılırlar. Fırçasız motorların, fırçalı motorlardan farkı; yüksek hıza sahip olmaları, torkları fazla olması, elektriksel gürültü meydana getirmemesi, sessiz çalışmaları, uzun ömürlü olmaları ve bakımlarının kolay olmasıdır. Bu özellikleri sayesinde kullanma alanları geniştir.
Bunun yanında brushless dc motorlar tamamen kontrol gerektiren, fazla ısınan ve brushless dc motor fiyatları pahalı bir sistem olduğu için bu da kullanımdaki eksileridir. Brushless motorların genel fırçalı motorlara göre birçok avantajı ve dezavantajı vardır.
Fırçasız motorların avantajları
- Yüksek verim
- Doğrusal moment-hız ilişkisi
- Yüksek moment-hacim oranı (Az bakır gerektirir.)
- Fırçaların ve kolektörün olmaması (daha az bakım, tehlikeli ortamlarda kullanılabilme)
- Sessiz çalışır.
- Elektriksel gürültü meydana getirmez.
- Daha çok tork gücü verir.
- Uzun ömürlüdür.
Fırçasız motorların dezavantajları
- Harici güç elektroniği gerektirir.
- Uygun çalışma için rotor konum bilgisi gerektirir.
- Hall-etkili sensörlere gerek vardır.
- Algılayıcısız yöntemlerin kullanımı ilave algoritmalar gerektirir.
- Pahalı sistemlere sebebiyet verir.
Fırçasız DC Motor Yapısı
Fırçasız dc motorların yapısı, dönen bölümleri rotor (endüvi) sabit mıknatıstan, duran bölümleri (stator) ise küçük bobinli sargılardan meydana gelmiştir.
Stator(Gövde)
Statoru (endüktör) duran bölümüdür. Sargı ve nüveden meydana gelir. Endüvi tarafından elde edilen manyetik alan ile endüktör tarafından elde edilen manyetik alan aynı frekansta döner. CD sürücüler, harddisk gibi elektronik cihazlarda kullanılan fırçasız doğru akım motorları, üç fazlıdır. Yani endüktörü üç sargıdan meydana gelir. Mikro işlemcinin soğutma fanlarındaki motorlar ise iki fazlıdır. Endüktör sargıları çok fazlı AC motorlardaki gibi sarılmaktadır.
Fırçasız DC motorda endüktör, birbirine sıkıştırılan ince çelik plakaların meydana getirdiği yarıklara sarılan sargılardan meydana gelir. Bir veya birkaç bobin birbirini dik kesecek biçiminde bağlanır ve endüktörün etrafına dağıtılır.
Rotor (Endüvi)
Sabit mıknatıslı endüvinin kutup sayısı iki-sekiz arasında değişir. Endüvide istenen manyetik akı yoğunluğuna bağlı uygun malzeme seçimi yapılır. Genellikle ferritten yapılan mıknatıslar, alaşımlı mıknatıs malzemelerden ucuzdur. Buna karşın daha az manyetik yoğunluk sağlar.
Fırçasız dc motor rotor tipleri; endüvi milinin üzerine yerleştirilmiş kalıcı mıknatıs, endüvinin gövdesi içerisine yerleştirlmiş kalıcı mıknatıs, endüvi oyuklarına yerleştirilmiş kalıcı mıknatıslardan meydana gelen tipleri vardır.
Fırçasız dc motor stator tipleri; fırçasız DC motorlarda sargılara enerji iletimi kolektör ve fırçalar yerine elektronik anahtarlarla gerçekleştirilir. Fırçasız motorun hızını ve dönüş yönünü ayarlamak için dört adet sürücü transistör gerekir. Hız aralığı geniştir. Bazı uygulamalarda 50.000 devir/dakika ’yı geçer. Çalışma hızı; motorun ebatlarına ve yüküne ve bağlı değişir. Besleme gerilimi düşüktür. Genellikle 24V gerilimle çalışır. Doğru akımla çalıştıkları için frekans kayıpları olmaz. Şebekenin frekans değişiminden etkilenmez. Ebatları 2.5 cm ile 14 cm civarındadır. Fırçasız doğru akım motorları kapalı ve açık yapılabilir. Verim %80’ler seviyesindedir.
Fırçasız dc motorlarla, step motor arasındaki fark; fırçasız motorlarda, endüvinin yerinin bilinmesi için endüvi (rotor) konum sensörünün kullanılmasıdır. Konum sensörleri ile endüvinin yerini algıladıktan sonra hangi sargıya hangi yönde bir enerji uygulanacağına karar verilir.
Fırçasız motorlar iç yapılarına göre ikiye ayrılır:
- Inrunner Brushlesss Motor
Motorun dönen kısmı yani rotoru motorun iç kısmındadır. Gövde (stator) sabittir. Bu motorların genel olarak hızları diğer tür olan outrunner’a göre daha yüksektir. Buna karşılık motorların volt başına ürettikleri tork daha azdır. Rotorun içte olması birçok kullanım kolaylığı sağlar. Görünüş olarak standart fırçalı motorlara benzerler.
- Outrunner Brushless Motor
Outrunner motorlarda, inrunner motorların aksine bir mekanik düzenleme vardır. Motorun rotoru dış kısımdadır. Yani motorun gövdesi döner sabit kısımsa içerdedir. Soğutulmaları bobin kısmının merkezde olması nedeniyle daha zordur. Outrunner motorların hızlarının daha düşük toklarının daha yüksek olmaları sebebi ile uçan projelerde (helikopter,quadrotor,uçak..) daha sık olarak kullanılırlar.
Bu projelerde kullanılan outrunner motorlar ESC (Electronic Speed Controller) denilen elemanlar tarafından kontrolleri yapılır. Biz bu elemanları kulübümüzün drone projesinde göreceğiz.Üç çıkışı olan outrunner motorlar, üç tane girişi olan ESC ‘lere bağlanır. İstenilen hız seviyeleri ESC tarafından tespit edilerek motor o devirde döndürülür.