Minyatür fırçasız DA motoru tasarım kriterlerinin ve kontrolünün incelenmesi

Abstract

Eyleyici eleman olarak tanımlanabilen elektrik motorlarının kullanılacağı alana ve sektöre göre maliyet avantajları, üretim yöntemleri ve performans kriterleri değişmektedir. Dolayısıyla bu değişken beklentilerin istenen kısıtlar içinde karşılanması için motor tasarımında yapısal değişiklikler gerekli olabilmektedir. Bu çalışmada, endüstrinin pek çok alanında kullanılan bir minyatür fırçasız doğru akım motoru yapısından yola çıkarak, bu motorun stator ve rotor kısmındaki çeşitli tasarım parametrelerinin, belirli bir çalışma devri aralığında motor çıkış gücü, çıkış momenti, verimi ve motorun çektiği akım üzerindeki etkileri incelenmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında analizler bu motorların endüstrideki kullanım alanlarına uygun boyutlarda, işletim sıcaklığı, gerilim, güç ve hız değerleri dikkate alınarak ANSYS Maxwell programının ön tasarım modülünde (RMxprt) gerçekleştirilmiştir. Bu ön çalışma ile motorun yapısal parametrelerinin sistem performansını üzerindeki etkileri hakkında bilgi edinilmiştir. Birinci kısımda edinilen bilgilerden faydalanarak ve minyatür fırçasız doğru akım motorlarının yurtdışı muadillerinin performans çıktıları göz önünde bulundurularak performansı iyileştirilmiş bir motor tasarımı yapılmış ve analizleri gerçekleştirilmiştir. Sonlu elemanlar yönteminin doğruluğunun kontrolü için analiz sonuçları teorik hesaplarla karşılaştırılmış ve uyumlu olduğu görülmüştür. Son olarak tasarlanan fırçasız doğru akım motorunun matematiksel modellenmesi yapılarak, sistemin açık ve kapalı döngü cevabı incelenmiştir. Motorun açısal hız kontrolünde oransal ve oransal+integral tipi denetim algoritmaları kullanılmıştır.

The cost advantages, manufacturing process, working speeds and performance outputs of the electric motors defined as an actuator can be varied according to the usage area and sector. Therefore, it may be necessary to make structural changes in motor design in order to meet these variable expectations within the desired constraints. In this study, firstly the effect of the various structural design parameter changes on the structure of a miniature brushless direct current motor used in many fields of the industry was investigated and the output power, torque, efficiency and current values of this motor were examined. These analyses were carried out in ANSYS Maxwell program' s preliminary design module (RMxprt). The appropriate dimensions, operating temperature, voltage, power, and speed values, which were chosen according to the usage areas in the industry, were preferred for the analysis. According to the knowledge from these analyses, the information such as which structural parameter has more effect on the motor performance than the others was obtained. After this stage, the design and analysis of the performance improved motor were done in ANSYS/Maxwell RMxprt and 2D modules according to the preliminary analysis and the performance outputs of importation equivalents. The finite element method results of some the analysis were compared with the theoretical calculations and found to be consistent. Finally, the transfer function of the motor was obtained. Open and the closed-loop behavior of the system was investigated. Proportional and Proportional+Integral type control algorithm was applied to the motor for the speed control.