doğru akım motorları - klupersonel.klu.edu.tr/dosyalar/kullanicilar/ahmet.ipekci/...dogru akım...

Dogru Akım Motorları

Doğru Akım Motorları

Yrd. Doç. Dr. Aytaç Gören

08.05.2012

Dogru Akım Motorları http://people.deu.edu.tr/aytac.goren

İçerik

Doğru Akım Elektrik Motorları

Doğru Akım Motorlarının Kısımları ve Özellikleri

Güç Hesabı

Adım (Step) Motorlar

Servo Motorlar

2 25.11.2011

Lineer Servo Motorlar

Dogru Akım Motorları http://people.deu.edu.tr/aytac.goren 3

Doğru Akım Motorları

Gramme Halkası – İlk DC Motor olarak kabul edilir.

videos/Dynamo de Gramme-1.wmv

Dogru Akım Motorları 4


Elektrik Motorları

Alternatif Akım (AC) Motorları

Doğru Akım (DC) Motorları

Senkron İndüksiyon (Asenkron)

Üç Fazlı Tek Fazlı

Kendinden Uyarmalı

Dışarıdan Uyarmalı

Seri Şönt Bileşik




Kendinden Uyarmalı

Dışarıdan Uyarmalı

Seri Şönt Bileşik


• 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 • Armatürdeki akım yönünü değiştirir

Doğru Akım Elektrik Motorlarının Kısımları


• 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

Doğru Akım Elektrik Motorlarının Özellikleri

Dogru Akım Motorları 8 © UNEP 2006

Hız, mayetik akı ve armatür gerilimi arasındaki ilişki

E : Armatür terminalindeki elektromanyetik kuvvet [V] : Alan akısı (Alan akımıyla orantılıdır) n : Hız [dev/dak] T : Elektro manyetik tork Ia : Armatür akımı [A] K : Denklem sabiti


Zıt EMK: E = K n Tork: T = K Ia


• 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

Doğru Akım Elektrik Motorlarının Çeşitleri



Dışarıdan Uyartımlı DA Motoru


Kendinden Uyartımlı Seri Motor

Alan sargısı ile armatür sargısı birbirine seri

bağlıdır. Alan akımı=Armatür akımı

Hız 5000 dev/dak’ya sınırlıdır.

• Yüksüz çalıştırmaktan kaçınınız: Hız

kontrolsüzdür.

Yüksek başlangıç torku gereken yerlere

uygundur: Örn. yük asansörü veya vinç gibi



Bileşik DA Motoru

Alan sargısı, armatür sargısına hem seri

hem paraleldir.

Tork üretme karakteristiği iyi ve

stabil bir hız karakteristiği vardır.

Seri yüzdesi fazla ise, başlangıçta

yüksek tork üretebilir.

Bileşik DA motorunun seri kısmının yüzdesi fazla ise

yüksek başlangıç torku üretir. Krenler, yük

asansörleri gibi uygulamalarda

kullanılabilir.





Fırçasız Fırçalı

AA Asenkron Motorların yapısına dikkat edin


Doğru Akım Motorları Güç Hesabı

Temelde kullanılan öncelikli iki denklem Faraday Yasası ve Lorenz Kuvveti’dir. Kayıpların olmadığı kabulü ile yandaki denklemler kullanılabilir.

E=B l v F=Bil

Tmil = Im kT Em=kE ωm

kT = kE = 2 N 2p Bg lm rm

P = Em Im = kE ωm(Tmil / kT ) = ωm Tmil

Parametre Gösterim Parametre Gösterim

Motordan geçen akım [A] Im EMK [volt] E

Motor indüklenmiş gerilim sbt. [ ] kE İletkenin hızı [m/s] v

Motor tork sbt. [ ] kT İletkenden geçen akım [A] i

Açısal hız [rad/s] ωm İletkenin boyu [m] l

Mildeki tork [Nm] Tmil motor stator boyu [m] lm

Slot başına iletken sayısı [ ] N Manyetik akı yoğunluğu [Wb/m2] B

Kutup çifti sayısı [ ] P Kuvvet [N] F

Hava aralığı akı yoğunluğu [Wb/m2] Bg Güç [W] P

Motorun hava aralığı yarıçapı [m] rm İndüklenmiş motor gerilimi [V] Em


Doğru Akım Motorları Manyetik Devre

Φ =

Bfm=

2 Qf =VFe+2VL

Qf =Wf If

B=H μ

Parametre Gösterim

Rotor çapı D

Kutup sayısı 2p

Oluk sayısı Na

Kutup aralığı TP

Oluk aralığı TA

Endüvi boyu (derinlemesine) l

Bir bobinin oluşturduğu

magnete motor kuvvet

Qf

Uyarma akımı If

Her bir bobinin sarım sayısı Wf


Doğru Akım Motorları Rotorda İndüklenen Gerilim, Manyetik Motor Dönme Momenti

Parametre Gösterim

Bobin eni d

Çift kutup sayısı p

Rotorun çevresinin uzunluğu x

Hız

Zamana bağlı indüklenen gerilim

İki fırça arasındaki bobinin sarım

sayısı

2 1

x

bobinin ortası

v

x zamana göre değişir. Bu durumda indüklenen gerilim;



Parametre Gösterim

Bobin eni d



Hız



sayısı

2 1

x

bobinin ortası

v

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.


Elektrik motorundaki moment denklemi jeneratörlerde indüklenen gerilim denklemi ise

http://people.deu.edu.tr/aytac.goren 18


Parametre Gösterim

Bobin eni d



Hız



sayısı

2 1

x

bobinin ortası

v


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.


Doğru Akım Motorları Eşdeğer Devre

Parametre Gösterim

Armatür (rotor) direnci Ra

Armatür endüktansı La

Armatür akımı Ia

Uygulanan giriş gerilimi Va

Zıt elektromotor gerilimi Vb

Hava aralığı akısı

Moment sabiti Ki

Zıt elektromotor sabiti Kb

Yük momenti TL

Motor momenti Tm

Rotor açısal hızı m

Rotorun açısal konumu m

Viskoz sürtünme katsayısı Bm

Motor eylemsizliği Jm


Doğru Akım Motorları Güç

Doğru akım bir elektrik motorunun nominal gücü aşağıdaki denklemdeki gibi ifade edilebilir. Bu denklemde, UDC [V] motora verilen gerilimi ve IDC [A] ise motorun çektiği akımdır. Aşağıdaki denklemlerde, Pgiriş [W] motorun adlandırılmasında kullanılan gücü veya elektriksel gücü, Pçıkış mekanik gücü [W, HP] ya da çıkış gücünü veya anma gücünü (nominal gücü), ωm motor milinin dönüş hızını [devir/dakika, RPM], Tm ise motor milinden elde edilen torku [Nm] ifade eder. Pkayıp ölçülen kayıp gücü [W], η ise motor verimidir [%].

Pgiriş =UDC IDC

Pçıkış = ωm Tm ( 2π / 60 )

Pkayıp = Pgiriş − Pçıkış

η=( Pçıkış / Pgiriş )x100


Pgiriş

Pçıkış Pks PkFe

Pka

http://people.deu.edu.tr/aytac.goren 22

Doğru Akım Motorları Kayıplar

Kayıplar Gösterim

Mekanik sürtünme kayıpları Pks

Demir kayıpları (histerezis ve

girdap akımları kayıpları) PkFe

Endüvi ohmik güç kaybı Pka


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.


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.

images/Motor.m1v



Rotor Stator

Hall etkisi konum

algılayıcıları

Hız kontrol algoritması

hız bilgisi

120 derece, 6 durumlu DGM anahtarlama

DC V

+

_

Üç fazlı doğru akım motoru ve sürülmesi.



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.

Hız Kontrolü

Konuma göre sinyal kontrolü

DC V

+

_



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.

Faz B Faz C

Faz A

ABC [010]

ABC [110]

ABC [100]

ABC [101]

ABC [001]

ABC [011]

Fırçasız DA motorunda altı adım kontrolde stator akı vektörleri (algılayıcı çıktıları [ABC] olarak

gösterilmiştir.)



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.



• 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.

Avantajları:



• 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.

Adım Motorların Dezavantajları:



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.

Adım Motor Çeşitleri

Sabit Mıknatıslı Step Motorlar (Permanent Magnet Stepper Motors-PM)



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.

Değişken Relüktanslı Step Motorlar (Variable Reluctance Stepper Motors-VR)



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 3,60 ile 0,90

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.

Hibrit Adım Motorlar (Hybrid Stepper Motors-HB)



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.



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.


Servo Motorlar


Servo Motorlar

Bknz. Ref. 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.


Servo Motorlar

Bknz. Ref.


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.


Servo Motorlar

Lineer Servo Motorlar


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-plc-

ile-kontrolu/ 11. http://machinedesign.com/article/linear-actuators-get-a-servo-

look-0124

doğru akım motorları - klupersonel.klu.edu.tr/dosyalar/kullanicilar/ahmet.ipekci/...dogru akım...

Documents