Konu performans olduğunda, geleneksel fırçasız ve yarıksız motorların kendi güçlü ve zayıf yanları vardır ancak ikisi arasında seçim yapmak gerektiğinde sorulacak soru hangi motorun en iyisi olduğu değildir. Asıl sorulması gereken şey ilgili uygulama için hangi motorun en iyisi olduğudur.
Pürüzsüz ve kesin bir mekanik sistem gerektiren birçok uygulama, kompakt bir yapı içinde yüksek tork ileten motorlardan yararlanabilir. Buna örnek olarak elektro-optik/kızıl ötesi sistemler gösterilebilir. Bir EO/IR (elektro-optik/kızıl ötesi) sistemde, nesneleri yol darbeleri, hava türbülansı, titreşim ve diğer kuvvetlere bağlı uyumsuz koşullarda bile takip etmek için doğru ve kesin şekilde hareket eden kararlı ve duyarlı bir platform gereklidir.
Ancak, tork dalgalanması ya da hareket halindeki uygulamalarda sistem üzerine etkiyen kuvvetler gibi mekanik ve çevresel hususlar görsel ya da kızıl ötesi sensör geri beslemesini bozabilir ve görüntüyü stabilize edip pürüzsüz hale getirmek için ek yazılımlar gerekebilir. Veri toplama noktasında çevresel hususlar düzelten pürüzsüz ve kararlı bir sistem, görüntüleri stabilize etmek için gereken bilgi işlem yükünü azaltabilir.
Vuruntu torku ve tork dalgalanması olguları motor tasarımı ve kontrol sistemi yoluyla giderilebileceğinden, bir EO/IR sistemindeki performans için motorun tork/hacim oranı daha iyi bir gösterge olacaktır. Geleneksel motorlar yarıksız motorlara göre daha yüksek bir tork/hacim oranı, ayrıca bir EO/IR sistemi gibi düşük hızlı sistemlerde (<1.000 rpm), daha duyarlı bir performans için daha yüksek kullanılabilir tepe ve sürekli tork değerleri sunarlar.
Vuruntu Torku ve Tork Dalgalanması Nasıl Oyuna Oluşur?
Geleneksel motorlarla yarıksız motorlar arasındaki farkları anlamak için vuruntu torklu ve tork dalgalanması kuvvetlerini ve bu iki olgunun bir EO/IR sisteminde nasıl ortaya çıktığını anlamak önemlidir.
Vuruntu torku geleneksel bir motorda enerji yokken oluşur. Rotor üzerindeki kalıcı mıknatıslar ile statör laminasyonlarının çelik dişleri arasındaki etkileşim, mil döndürüldüğü zaman bir “sarsılma” hareketi yaratır. Yarıksız motorlarda bu sarsılma oluşmaz zira statörde diş yoktur ve mıknatıslar laminasyon ile dönüş sırasında etkileşime girer.
Tork dalgalanması, hem geleneksel hem de yarıksız motorlarda, motor enerji altındayken oluşur. Bunun nedeni, rotor ve statör etkileşime girdiğinde elektromanyetik alanda oluşan değişimlerdir. Vuruntu torku yarıksız bir motorda azaltılabilir ancak tork dalgalanması her zaman mevcuttur ve yüksek çözünürlüklü geri besleme ve gelişmiş kontrol algoritmalarının kullanımı ile çözülmelidir. (Daha fazla bilgi için “Vuruntu Torku ve Tork Dalgalanması: Bilmeniz Gerekenler.” başlıklı blog yazımıza bakın)
EO/IR gibi düşük hızlı sistemlerde, vuruntu torku genellikle bir servo motorun en önemli özelliği değildir. Vuruntu torkunun ortadan kaldırılması tork dalgalanması üzerinde biraz etkili olsa da asıl önemli konu, enerji verildiği zaman motorun sergilediği davranıştır. Ayrıca, yarıksız olanlar da dâhil tüm motorlarda tork dalgalanması olduğundan, bu niteliğe diğer motor niteliklerinden daha fazla odaklanmak, geleneksel bir motorun yarıksız bir motora göre avantajlarını görmeyi engelleyecektir. Bir EO/IR uygulamasında bir motor seçimi yaparken tork/hacim oranı, performans açısından vuruntu torku ya da tork dalgalanmasına göre çok daha iyi bir göstergedir.
Yarıksız Motor Israrı
Geleneksel motorların aksine, yarıksız motorlarda statör üzerinde çelik dişler yoktur (bu nedenle geleneksel motorlar bazen yarıklı motor olarak da adlandırılır). Statör laminasyonunda sarımları desteklemek için yarıkların yerine, üzerine bakır bobinler monte edilmiş ve sonra kapsüllenmiş halde birlikte istiflenmiş çelik halkalar vardır. Sonuç olarak bobinler, statör laminasyonu ile rotor mıknatısları arasındaki boşluğa yerleştirilir.
Rotor ile statör arasındaki büyük bir hava boşluğu, bir motorun üretebileceği tork miktarını sınırlar. Daha küçük bir hava boşluğu (mıknatıs ile statör arasındaki boşluk) oluşturmak daha fazla tork üretilmesini sağlayabilir. Bu mesafe yarı oranda eksildiğinde tork dört kat artacaktır. Yarıksız motorlarda en yüksek torku elde etmek için bu boşluk olabildiğince daraltılır. Ancak bu hava boşluğunun çok fazla daraltılması bir soruna yol açar. Çoğu üretici, boşluğu kapatmak için daha büyük mıknatıslar kullanır. Bu da maliyeti artırır. Geleneksel fırçasız motorlar, üretimde sınırları (ve maliyetleri) zorlamadan daha yüksek tork üretebilir.
Tahmin edebileceğiniz üzere statör laminasyonunda kapsüllenmiş sarımlar olması yarıksız bir motorda çeşitli avantajlar sağlar. Yukarıda bahsedildiği üzere yarıksız motorda vuruntu torku yoktur. Laminasyonda rotor mıknatısı ile etkileşime girecek dişler olmadığından, motor pürüzsüz çalışma karakteristikleri sergiler. Sarımlara beslenen akım ile doğrudan bağlantılı bir konu olduğundan, tork üretimi tahmin edilebilir ve ileri düzeyde kontrol edilebilirdir. Yarıksız motorlarda, yüksek hızlarda (genelde EO/IR uygulamalarında görülmeyen) düşük çekirdek kayıpları vardır ve düşük ağırlık, düşük tork ve kararlı koşul uygulamalarında etkili şekilde kullanılabilirler. Bu motorlar, ileri düzeyde dinamik EO/IR uygulamalarında daha az etkilidir.
Laminasyonda diş olmamasından dolayı yarıksız motorlarda vuruntu torku ortadan kaldırılmış olsa da tork dalgalanması hala vardır. Tork üretmek için motorun enerji verilmiş durumda olması gerektiğinden, vuruntu torkunun olmamasının sağladığı avantaj minimuma iner. EO/IR gibi kesin ve hassas uygulamalarda tork dalgalanmasının hâlâ geri besleme kontrolleri ile ortadan kaldırılması gerekir.
Geleneksel Fırçasız Motorlar
Dişli laminasyonu olan ve bazen yarıklı motor olarak da adlandırılan geleneksel motorlarda yarıklı çelik laminasyonlar vardır ve bu yarıklar, içlerine yerleştirilmiş bakır sarımlarla birlikte istiflenir. Statörün rotora en yakın kısmı diş olarak adlandırılır ve bu parça, rotor mıknatısları yönündeki elektromanyetik akıya odaklanarak enerjiyi yarıksız tasarımlara göre daha iyi yoğunlaştırır.
Bir yarıksız motor ile karşılaştırıldığında, geleneksel motorlar tork çıkışı, motor sabiti, verimlilik ve üretilebilirlik arasında iyi bir denge sağlar. Boyutlarına göre geleneksel fırçasız motorların yüksek verimliliğe sahip yüksek bir motor sabiti ve düşük atalete sahip yüksek ivmelenme oranları vardır. Bu da geleneksel motora yüksek akımda daha düşük bobin reaksiyonu, düşük tork dalgalanması ve düşük hızlarda daha yüksek sürekli tork sağlar.
Yüksek kutup sayısı olan geleneksel motorlarda bazı zorluklar vardır. Bu motorlar genellikle yüksek hızlarda daha az verimlidir ve torkları daha düşüktür. Ancak geleneksel motorlara ilişkin en büyük sorun vuruntu torku olmasıdır. Bununla birlikte yukarıda açıklandığı üzere, konu düşük hızlı ve yüksek torklu uygulamalar olduğunda vuruntu torku, enerji verilmiş haldeyken tork/hacim oranından daha önemsiz bir sorundur.
Vuruntu Torkunun Üstesinden Gelme
Geleneksel motorlar, yüksek tork/hacim oranları, verimlilikleri ve çıkışları ile, ileri düzeyde dinamik EO/IR uygulamaları gibi en çok düşük hızlı sistemler için uygundur. Bu tarz uygulamalarda ayrıca üretilebilirlikleri ile de ön plana çıkarlar. Çeşitli ortak mühendislik ürünü ve standart tasarımlarla geleneksel motorlardaki vuruntu torkunu en aza indirebildik. Örneğin doğru yarık/kutup kombinasyonlarını seçmek vuruntu torkunu en aza indirebiliyor. Diğer hususlar şöyle sıralanabilir:
- Mıknatıs akısı ile sarım arasındaki arayüzün verimliliğini belirleyen Kw ya da sarım faktörü.
- Sarım eklentisi; örneğin ortalama yarık dolgusu olan iğneli sarım ya da daha yüksek bir dolgu faktörü olan elle sarım. Ancak daha yüksek yarık/kutup kombinasyonlarının sarılması daha uzun sürer ve daha uzun son dönüşleri vardır.
- Bobin reaksiyonu. Daha düşük yarık/kutup kombinasyonlarında daha fazla bobin reaksiyonu vardır.
Vuruntu torkunun etkisini en aza indirmek için başka tasarım seçenekleri ve atılabilecek çeşitli adımlar da vardır. Bunlar motorun verimliliğini azaltabilir ancak sistem tasarımı doğrultusunda bunlara gerek olmayabilir:
- Kutup aralığı (mıknatısların genişliği).
- Mıknatıs şekli.
- Yarık açıklığı ve diş ucu tasarımı.
- Vuruntu torkunda %90'a kadar azaltma için istifleme eğriliği.
Geleneksel Motorlar Hâlâ İlk Tercihtir
Pürüzsüz çalışma, yüksek ivmelenme oranları ve yüksek tork sabiti gereken sistemlerde geleneksel fırçasız motorlar hâlâ ilk sıradaki tercihtir. Yük düşük olduğunda yarıksız bir motor iyi bir alternatif olabilir. Ancak agresif yüksek torklu uygulamalarda yeterli performans aralığına sahip değillerdir. Düşük hızlı, yüksek torklu EO/IR sistemlerde, çevresel bozulmaları düzelten ve bilgi işlem gereksinimlerini azaltan pürüzsüz ve kararlı sistemler oluşturmak için üstün tork/hacim oranı gerekir. Geleneksel fırçasız motorlar daha yüksek tepe tork değeri üretebilir, diğer taraftan yarıksız motorlar bu orta-yüksek torklu uygulamalarda bu kadar iyi performans sergilemez.
Kollmorgen, EO/IR sistemlerin ihtiyaçlarını karşılarken vuruntu torkunu en aza indiren geleneksel motorlar tasarlamak için gereken ortak mühendislik deneyimine sahiptir. Uygulamanızın yapabileceklerini keşfetmeye hazır mısınız?