Fırçasız motorlarda kollektör ve fırça bulunmuyor. Bu nedenle bu motorlara fırçasız motor deniyor. Fırçasız motor gelişen teknoloji ile robotik alanda da kullanılmaya başlandı. Bu motor türü yeni bir tip motor olmasına rağmen her ortamda karşılaşılması mümkün olan bir modeldir.
Normal DC motorlar özellikleri ve kullanım kolaylığı bakımından birçok alanda kullanılır. Yine de fırça ve komütatör bağımlı olmasından dolayı bazı ortamlarda kullanılma alanlarını azaltmıştır.
Fırça zaman içinde aşındığı için bakım gerektirir. Bu durumda bakım ihtiyacı olan bir motorun disket yada CD sürücüsü gibi sabit dönme sayısı kullanıldıkça zamanla dönme sayısı değişir. Komütatörün ve fırçanın yerini, yarı iletken anahtar aldığında fırçasız motor meydana gelir.
Bu motorların motor bölümünde güçlü doğal bir mıknatıs kullanılır. Statorda ise bobinli sargılar bulunur. Fırçasız motorlar teknolojinin gelişmesi ile birçok alanda kullanıldığı gibi robot projelerinde de kullanılmaktadır.
Bu motor tipi standart motorlara göre yeni sayılabilecek bir motor teknolojisine sahiptir. Yine de buna rağmen fırçasız motorlarla her ortamda karşılaşılır. Fırçasız motor özellikle radyo kontrollü projeler için kullanılıyor.
Bu motorların birim enerji yoğunlukları daha iyi olduğundan helikopterlerde, arabalarda fotokopi makineleri ve tıp cihazları gibi yüksek güç gerektiren alanlarda kullanılır. Fırçasız motor tipi fırçada motorlardan fark olarak yüksek hıza sahiptir.
Ayrıca torkları fazladır ve elektriksel gürültü meydana getirmez. Sessiz çalışır bakımları kolay ve uzun ömürlü motorlardır. Bu motor tipi bu özellikleri sayesinde geniş bir kullanım alanına yayılmıştır.
Fırçasız motorların avantajları arasında yüksek verimlilik doğrusal moment ilişkisi yüksek moment hacim oranı bulunur. Fırçaların ve kolektörün olmayışı yani daha az bakım ve tehlikeli ortamlarda kullanılabilme özelliği avantajlardan biridir.
Sessiz çalışması elektriksel gürültü meydana getirmemesi torkunun yüksek olması ve uzun ömürlü olması da avantajlar arasında. Fırçasız motorların dezavantajları da vardır. Harici güç elektroniği gerektirmesi uygun çalışma için rotor konum bilgisine ihtiyaç duyulması dezavantajlar arasındadır.
Ayrıca hall-etkili sensörlere ihtiyaç duyulur. Algılayıcısız yöntemlerin kullanımı ilave algoritmalar gerekliliğine ihtiyaç duyar. Sistemin pahalı olması da dezavantajlar arasındadır.
Fırçasız motorların yapısında dönen bölümler sabit mıknatıstan meydana gelmiştir. Duran bölümler yani statör ise küçük bobinli sargılardan oluşuyor. Fırçasız motor yapısı AC senkron motoruna benzetilir. Statoru sabit bölümüdür.
Nüveden ve sargıdan oluşur. Rotor kısmından elde edilen manyetik alan sayesinde endüktör tarafından elde edilen manyetik alan aynı frekansta dönmektedir. Hard disk sürücüleri gibi elektronik cihazlarda kullanılan fırçasız doğru akım motorları 3 fazdan meydana gelir.
Yani endüktör 3 sargıdan oluşur. Mikro işlemcinin soğutma fanlarındaki motorlar ise 2 fazdan meydana gelmiştir. Endüktör sargıları çok fazlı AC motorların da olduğu gibi sarılır.
Fırçasız DC motorlarında AC motorlardan farklı olarak sargıları sürerken rotor konumları bilinmelidir. Bu işlemde hall sensörü ya da optik sensör denilen alan etkili sensörler ile yapılır fırçasız motorda rotor endüktörün iç ve dış kısmına yerleştirilir.
Fırçasız motorda birbirine sıkıştırılmış olan ince çelik plakaların meydana getirmiş olduğu yarıklarda sarılan sargılardan endüktör meydana gelir. Bir ya da birden fazla bobin birbirine dik bir şekilde kesecek biçimde bağlanır ve endüktörün etrafına dağıtılır.
Sargılar endüktöre iki şekilde sarılır. Yıldız ya da üçgen şekildedir. Üçgen sarım üç ayrı sargıyı üçgen bir şekil meydana getirecek biçimde bağlanır. Tüm birleşim kısımlarına gerilim verilir yıldız bağlantı ise her 3 saniye bir tek merkeze bağlar.
Gerilim ise sargıların açıkta kalan uçlarına verilir. Fırçasız motorlarda 1. sargıya pozitif 2. sargıya ise negatif enerji verilir. 3. sargı ise enerjisizdir yani boştadır.
Bu çalışma prensibine göre yıldız bağlantısında daima iki sargı seri olarak kullanıldığından dolayı manyetik alan şiddetlidir. Bu da demek oluyor ki daha çok moment ve daha düşük hız. Buna karşın gerilim yüksek ve akım düşük olur.
Üçgen bağlantıda ise tek bir sargı kullanılır. Bu nedenle gerilimde yüksek akım sağlanır. Bununla birlikte yüksek hız ve düşük tork oluşur. 2 fazlı olan motor tiplerinde endüktör mikroişlemci sonu gibi 4 kutuptan oluşur. Bazı türlerde ise manyetik akımın ölü noktalarının azaltılması açısından gölge kutuplar kullanılıyor.
Sabit mıknatıslı olan rotorun kutup sayısı 2 ve 8 arasında değişiyor. Rotorda istenilen manyetik akı yoğunluğuna bağlı olarak uygun malzeme seçimi yapılır.
Genel olarak feritten yapılmış olan mıknatıslar alaşımlı mıknatıs malzemelerine göre daha ucuzdur. Buna rağmen daha az manyetik yoğunluk sağlanır. Fırçasız motor tiplerinde rotor milinin üzerine yerleştirilmiş kalıcı bir mıknatıs bulunur.
Endüvinin gövdesi içerisine yerleştirilmiş olan bu kalıcı mıknatıs oyuklarına yerleştirmiş kalıcı mıknatıslardan meydana gelen modeller de bulunur. Sabit olan mıknatıslar motor nüvesine üç şekilde yerleştirilir. Fırçasız motorlarda sargıları enerji iletimi fırçalar ve kollektör yerine elektronik anahtarlar ile yapılır. Fırçasız motorun dönüş yönünü ve hızını ayarlamak için 4 tane sürücü transistör gereklidir.
Fırçasız motorlar fırçalı motorlar ile aynıdır. Bu motorların çalışırken göstermiş olduğu farklılık rotor üzerinde bobin olmamasıdır. Ayrıca sabit olan mıknatısların rotor üzerinde olması ve endüktör bobinlerinin gövde üzerinde sabit olmasıdır. Fırçasız motor tipinde rotor ve endüktörün yeri değişmiştir.
Fırçasız motorların faydası şu şekilde açıklanabilir. Komütatör sisteminin kalkması sürtünme fırça ve kollektörün oluşturduğu dirençten dolayı meydana gelen elektrik mekanik kayıpları ortadan kaldırılmasıdır.
Bu tasarım mekanik olarak denetlemediği için ve bobinlerin sayısının artırılmasına müsaade ettiğinden fırçasız doğru akım motorlarında yüksek tork alınabilir.
Motorun çalışması için ek donanım olarak elektronik bir devre ile sargı üzerine gelen akımı kontrol etmektir. Bu bir dezavantajdır. Fırça komitatör sistemi ile sağlanan karışık ateşleme sistemi dış devreler tarafından yapılmalıdır. Bu motoru kullanacak olan kişilere ek masraf çıkarır.
Ancak aynı güçte olan bir motora göre küçük ve hafif olması devir kontrolünün yapılabilmesi bu ek masrafı azaltabilir. Fırçasız motorlar ile step motorları arasındaki fark ise fırçasız olan motorlarda rotorun konumunun bilinmesi için endüvi konum sensörü kullanılmasıdır. Konum sensörleri ile rotorun yeri algılanır. Ardından hangi sargıya hangi yönde enerji uygulanacağına karar verilir.
Fırçasız motor çeşitleri iç yapılarına göre ikiye ayrılıyor. Inrunner Brushless motor ve Outrunner Brushless motor. Inrunner brushless motor, motorun dönen kısmıdır. Yani rotoru motorun iç kısmında bulunur gövde ise sabittir.
Bu motorların hızları genel olarak diğer tip olan outrunner’a göre daha yüksektir. Buna karşılık olarak motorların volt başına üretmiş oldukları tork daha azdır.
Rotorun iç kısmında olması birçok kullanım kolaylığı sağlıyor. Görünüm olarak standart fırçalı motor tiplerine benzer. Outrunner motorda ise ınrunner motorun tam aksine Mekanik bir düzenleme bulunur.
Bu motorda dış kısımda yer alır. Yani motorun gövdesi döner sabit kısım ise iç kısımda bulunur. Soğutulması bobin kısmının merkezde olması sebebi ile daha zordur.
Outrunner motorlar helikopter uçak gibi projelerde daha sık kullanılır. Bunun nedeni ise torklarının yüksek ve motor hızlarının düşük olmasıdır.
Bu tür uçan projelerde kullanılan outrunner motorlar ESC adı verilen elemanlar tarafından kontrol edilir Bu motorların üç çıkışı bulunur. Üç tane girişi bulunan ESC'lere bağlanır.
İstenilen hız seviyesi ESC tarafından tespit edilir ve motor o devirde döndürülür. Fırçasız motor tipleri sensörlü ve sensörsüz motor olarak iki gruba ayrılıyor. Sensörlü olan fırçasız motor tipi bobinin gövde içerisinde nerede olduğunu bularak hassas bir biçimde algılar.
Uygun olan bir ESC ile beraber motordan hiçbir kayıp güç oluşmaz. Sensörsüz fırçasız motor tipleri ise yaygın olarak bulunan motordur. Sensörsüz motor tipi sensörlü motorlar gibi yüksek hızlı ve ivmelere ulaşamaz.
Brushless motorlar ise fırçalı motorların kullanılmış olduğu tüm ortamda kullanılabilir. Ayrıca motor komütatörlerinden meydana gelebilecek kıvılcımların tehlike meydana getirmiş olduğu sistemlerde kullanılır.
Brushless motor türlerinin elektronik devreleri de bulunur. Bu nedenle çalıştıkları voltaj standart fırçalı motor tiplerine göre daha dardır. Fırçasız motor tiplerinde herhangi bir mekanik kontak bulunmaz. Bu nedenle sürtünme de minimum seviyededir.
Fırçasız motorlar herhangi bir mekanik kontak bulundurmadığı için bağlantı noktalarında gerekli izolasyon yapılarak su altında da kullanılabilir.
Brushless motorda komütatör fırçaları yoktur. Bu nedenle motor şaftına destek olan bilyalar ilk eskimesi beklenen sistemdir. Fırçasız motorların imalatı standart fırçalı motor tiplerine göre daha ucuzdur. Buna karşın Brushless dc motorların fiyatları daha yüksektir.
ESC'ler fırçasız motorları kontrol etme amaçlı kullanılan elektronik devre sistemleridir. Bu devreler motorların bobinlerine sırayla pwm dalgası yollar. ESC devresi üç sistemden oluşur. RC ESC'ler radyo kumandalarında kullanılmak üzere yapılmış özel motor kontrol devresidir.
Genelde firmalar üretmiş oldukları ESC'lerden laboratuvar ortamında elde etmiş oldukları yüksek değerleri etiketlerini yazar. Örneğin maksimum 30 ampere dayanıklı olan ESC'ler bu akımın çekimine milisaniyeler seviyesinde dayanır. Çalışma voltajı motora uyumlu olmalı. Örneğin 4-6 cell* ESC; 4.8 volt ve 7,2 volt arasında çalışabilen ESC demektir.
Bir fırçasız motor iki ana parçadan bir motordan ve bir statordan oluşur. Motor sabit bir iki kutuplu mıknatıstır. Bir bobin üzerine akım uygulanırsa manyetik alan oluşturulur. Manyetik alan çizgileri ya da kutupları daima değişiklikle belli bir yöne döndürülebilir.
Elektrik motorunun çalışma prensibi böyledir. Uygun akım uygulanırsa bobin rotorların kutupları sürekli yer değiştirerek birbirini çeker bu şekilde manyetik alan oluşturur.
Motor verimliliğini artırmak için iki zıt bobini tek bir bobin olarak sarıp motor kutuplarına zıt kutup üretebilecek çift çekim kuvveti alınır. Bu konfigürasyonla statordaki 6 Kutup sadece 3 bobin ya da faz ile üretilir.
İki bobine aynı anda enerji verilerek verimlilik daha da artırılabilir. Bu şekilde bir bobin çekilir ve diğer bobin rotoru itilir. Rotorun 360 derecede tam bir döngü yapılmasının sağlanması için 6 adım ya da aralık gerekir.
Mevcut dalga formuna bakılırsa her aralıkta pozitif akım içeren bir faz bulunur. Ayrıca negatif akım içeren bir faz ve de fazın kapalı olduğu fark edilebilir. Bu da üç fazın her birinin serbest uç noktalarını birbirine bağlanabilmesi anlamına gelir Ayrıca bu iki faza aynı anda enerji verebilmek için akımı aramızda paylaşabiliriz. Ya da tek bir akım kullanılabilir.
Motor fazlarının yıldız bağlantısı bulunur. Bu bağlantı içinde fırçasız motordan çıkan 3 kablo bulunur. Rotorun tam devir yapabilmesi için altı manyetik kolun her birinde doğru iki mosfeti etkinleştirmek gerekir.