Küçük güçlü daimi mıknatıslı bir fırçasız doğru akım motorunun modellenmesi ve deneysel sonuçlarının çıkarılması
Modelling and experimental results of a small power permanent magnet brushless dc motor
Yazar: MUHAMMET GÜRÇAY
Danışman: PROF. DR. FERİHA ERFAN KUYUMCU
İstanbul Gedik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Daimi mıknatıslı fırçasız doğru akım motorları (FDAM) günümüzde yüksek
hız ve moment ihtiyacı olan uygulamalarda fırçalı doğru akım motorlarının yerini
almaktadır. Hız–moment ilişkisinin lineer olması nedeni ile, endüstride kendine geniş
bir uygulama alanı bulmuştur. Fırçalı motorlara nazaran FDAM'nun tercih
edilmesinin sebebi, fırça-kollektör düzeneğinin olmaması, bakım gerektirmemesi,
çalışırken ark oluşturmaması, korozyon olmaması, elektromekanik açıdan verimli
olmasıdır. Kullanım ömrünün uzun olması da önemli avantajlardan birisidir. Bu
motorlar 3 faz trapezoidal (düzgün yamuk) adı verilen bir sinyal üreten elektronik
motor sürücüleri kullanılarak sürekli tahrikle çalıştırılırlar.
Bu saydığımız özelliklerle beraber verimi düşüren bir takım kayıplar da
bulunmaktadır. Mekanik kayıplar, mil ve rulmanlardan kaynaklı sürtünmeye bağlı
olarak oluşur. Motoru soğutmak için kullanılan vantilatörler az da olsa vantilasyon
güç kayıpları olarak dikkate alınır ve verimin bir miktar düşmesine neden olur.
Ayrıca asıl önemli kayıplar motorda kullanılan sargıların faz direncinden dolayı
makine yükteyken fazdan geçen akımın karesine bağlı olarak ısı şeklinde açığa çıkan
joule kayıpları olarak ortaya çıkar. Motorda N-S kutbu şeklinde sıralanan
mıknatısların oluşturduğu manyetik akı yoğunluğunun değişimine bağlı olarak
manyetik kayıplar da dikkate alınmaktadır.
Bu çalışmada öncelikle amaç, ANSYS-MAXWELL programı kullanılarak
küçük güçlü fırçasız DC motorun statik davranışı incelenmektedir. Sonlu elemanlar
analizi yöntemi ile motorun hız, moment, verim açısından elde edilen statik verileri
elde edilmektedir. Bu araştırmada daimi mıknatıslı fırçasız DC motor, FDAM
(Brushless DC Motor-BLDC) stator, rotor ve sabit mıknatısın farklı malzemelerden
imal edilmesinin, farklı oluk ölçülerinin, hava aralığı değişiminin, stator
boyunduruğu genişliği değişiminin kayıplar ve verim üzerine etkilerinin incelenmesi
yer almaktadır. Çalışmanın devamında ise, Fırçasız Doğru Akım Motorunun
MATLAB/SIMULINK programı yardımıyla sürücü transfer blokları, denetleyici
PWM sinyali gönderimi, alan etkili (hall effect) sensör geri besleme blok şeması,
sistemin kapalı çevrim çalışması şeklinde gerilim ve düğüm denklemleri kullanılarak
sürekli hal benzetimi yapılarak dinamik karakteristikleri çıkartılmaktadır.
Çalışmanın sonunda Fırçasız DC Motor ve sürücüsü uyartılarak gerçek
ortamda ve yüksüz çalışmasına ilişkin deneysel çalışması yapılarak ayrıca
gözlemlenmiştir. Osiloskop ve ölçü aletleri yardımıyla çıkan sonuçlar
karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Permanent magnet brushless direct current motors (FDAM) are now
replacing brushed direct current motors in applications requiring high speed and
torque. Since the speed-torque relationship is linear, it has found a wide application
area in industry. The reason why FDAM is preferred over brushed motors is that it
does not have a brush-collector mechanism, does not require maintenance, does not
create an arc during operation, does not cause corrosion, and is electromechanically
efficient. Long lifespan is also one of the important advantages. These motors are
operated with continuous drive using electronic motor drivers that produce a signal
called 3-phase trapezoidal.
Along with these features, there are also some losses that reduce efficiency.
Mechanical losses occur due to friction caused by shafts and bearings. Fans used to
cool the engine are considered as ventilation power losses, even if small, and cause a
slight decrease in efficiency. In addition, the most important losses occur as joule
losses in the form of heat, depending on the square of the current passing through the
phase when the machine is under load, due to the phase resistance of the windings
used in the motor. Magnetic losses are also taken into account depending on the
change in the magnetic flux density created by the magnets arranged in the form of
N-S poles in the motor.
The aim of this study is to examine the static behavior of a small-power
brushless DC motor using the ANSYS-MAXWELL program. Static data of the
engine in terms of speed, torque and efficiency are obtained with the finite element
analysis method. This research includes examining the effects of permanent magnet
brushless DC motor FDAM (Brushless DC Motor-BLDC) manufacturing of stator,
rotor and permanent magnet from different materials, different slot sizes, air gap
change, stator yoke width change on losses and efficiency. In the continuation of the
study, the dynamic characteristics of the Brushless Direct Current Motor are
simulated by using the driver transfer blocks, controller PWM signal sending, field
effect (hall effect) sensor feedback block diagram, voltage and node equations in the
form of closed loop operation of the system with the help of MATLAB/SIMULINK
program is removed.
At the end of the study, the Brushless DC Motor and its driver were excited
and an experimental study was carried out on its operation in a real environment and
without load, and it was also observed. The results obtained with the help of
oscilloscope and measuring instruments were compared.