Elektrik motorları nasıl çalışır: manyetik kuvvetten mil torkuna

Bir iletken üzerindeki Lorentz kuvveti

Her elektrik motoru tek bir fiziksel etkiye dayanır. Manyetik akı yoğunluğu B olan bir alan içinde, alana dik duran L uzunluğundaki bir iletkenden I akımı geçtiğinde iletken yana doğru

F = B × I × L

kuvvetiyle itilir. Burada F newton, B tesla, I amper, L metre cinsindendir. Yön, motorlar için sol el kuralıyla bulunur: işaret parmağını alan yönüne (kuzeyden güneye), orta parmağı akım yönüne çevirin; başparmak kuvvetin yönünü gösterir. Akımı ya da alanı ters çevirirseniz kuvvet de ters döner; ikisini birden çevirirseniz kuvvet aynı kalır.

Küçük bir örnek: 0,8 T'lık alanda 10 A taşıyan 0,1 m'lik bir iletkene F = 0,8 × 10 × 0,1 = 0,8 N etki eder. Bu 1 N'dan azdır; gerçek motorlarda çok sarımlı tel ve güçlü alanlar kullanılmasının nedeni budur.

Kuvvetten torka

Tek bir düz iletken yalnızca itebilir. Dönme elde etmek için iletkenler, mil etrafında serbestçe dönebilen bir silindirin (rotor ya da armatür) üzerine yerleştirilir. r yarıçapında etki eden F kuvveti

T = F × r

torkunu üretir. Kutupların altında N iletken varsa ve her biri B alanında I akımı taşıyorsa toplam tork yaklaşık olarak

T = N × B × I × L × r

olur. Bu ifade her motor tasarımcısının elindeki üç kolu gösterir: daha fazla manyetik alan, daha fazla akım ya da daha uzun ve daha büyük yarıçaplı iletkenler. Ayrıca motor torkunun neden akımla neredeyse orantılı olduğunu ve güçlü kalıcı mıknatıslı ya da büyük gövdeli motorların neden daha fazla tork verdiğini açıklar. Mekanik güç tork ve açısal hızdan elde edilir:

P = T × ω

Burada ω = 2π × N / 60 rad/s cinsinden hızdır ve N dev/dak cinsindendir. 3000 dev/dak'da 2 N·m üreten bir motor P = 2 × 314,2 ≈ 628 W verir.

Stator, rotor ve hava aralığı

Hemen her döner motorda aynı iki ana parça bulunur.

• Stator sabit parçadır. Sargıları ya da kalıcı mıknatısları taşır ve birbiriyle etkileşen iki manyetik alandan birini oluşturur.
• Rotor mil üzerindeki parçadır. Diğer alanı taşır; bu alan kalıcı mıknatıslarla, kendi akımı olan bir sargıyla ya da statordan indüklenen akımlarla elde edilir.
• Hava aralığı ikisi arasındaki ince boşluktur; tipik olarak milimetrenin bir kesri ile birkaç milimetre arasındadır. Manyetik alan buradan geçer ve tork burada üretilir.

Tork, özünde iki manyetik alanın hizalanma eğilimidir. Stator alanı ile rotor alanı iki çubuk mıknatıs gibi hizalanmaya çalışır; stator alanı rotor alanının önünde hareket ettikçe rotor onu kovalamaya devam eder. Farklı motor türleri, stator alanını bir adım önde tutmanın farklı yollarından ibarettir.

Komütasyon: torku hep aynı yönde tutmak

Dönen bir çerçevedeki akım yön değiştirmeseydi tork her yarım turda işaret değiştirir ve rotor yalnızca salınım yapardı. Komütasyon, bunu önleyen akım anahtarlamasıdır.

Fırçalı DC motorda komütasyon mekaniktir. Karbon fırçalar, rotora sabitlenmiş bölmeli bakır kolektöre bastırır. Rotor döndükçe bölmeler fırçaların altından geçer ve her bobindeki akımı tam nötr konumdan geçerken ters çevirir; böylece tork aynı işareti korur. Basit ve ucuzdur, ancak fırçalar aşınır, kıvılcım çıkarır ve hızı sınırlar.

Fırçasız motorda komütasyon elektroniktir. Mıknatıslar rotorda, sargılar statordadır. Hall sensörleri ya da bir konum kestirimi, sürücüye rotorun nerede olduğunu bildirir ve sürücü stator fazlarını doğru sırayla enerjilendirir. Aşınacak fırça yoktur; verim ve ömür artar, bunun bedeli sürücü elektroniğidir.

AC asenkron ve senkron motorların kolektöre hiç ihtiyacı yoktur: üç fazlı besleme doğrudan dönen bir alan oluşturur. Bu, dönen manyetik alan rehberinde anlatılmaktadır.

Motor aynı zamanda jeneratördür

Aynı makine tersine de çalıştırılabilir. Mil bir motor, türbin ya da motorun kendi yükü tarafından döndürülürse iletkenler manyetik alanı keser ve içlerinde E = B × L × v gerilimi indüklenir. Bu Faraday'ın indüksiyon yasasıdır ve jeneratörün ürettiği gerilimdir.

Bu, çalışan her motorda da gerçekleşir. Rotor dönerken sargılar beslemeye ters yönde bir gerilim üretir; buna zıt elektromotor kuvvet (zıt EMK) denir. Motorun hızlandıkça akımının düşmesinin ve yüksüz hızının üzerinde sürüldüğünde, örneğin yokuş aşağı frenleyen bir elektrikli araçta, enerji geri verebilmesinin nedeni budur. Motor ve jeneratör çalışması, güç akışının yönü ters olan aynı enerji dönüşüm sürecidir.

Motorda beslemeden çekilen elektrik gücü mekanik güce ve kayıplara dönüşür. Jeneratörde sıra tersine döner: mekanik güç girer, elektrik gücü çıkar.

Elektrik motoru aileleri

Motorlar, stator alanını rotorun önünde nasıl oluşturup koruduklarına göre ayrılır.

• DC motorlar: fırçalı DC ve elektronik komütasyonlu fırçasız DC. Hız gerilimi, tork akımı izler.
• Asenkron (indüksiyon) motorlar: rotor beslenmez; akımı stator alanı tarafından indüklenir. Sağlam ve ucuzdur, sanayinin iş atıdır. Alandan biraz daha yavaş döner.
• Senkron motorlar: rotor dönen alana kilitlenir ve tam senkron hızda döner. Bu aileye sargılı alanlı motorlar, kalıcı mıknatıslı senkron motorlar (PMSM) ve relüktans motorları girer.
• Step ve servo motorlar: hassas konum kontrolü için, ya ayrık konumlar arasında adım atarak ya da kapalı çevrim geri besleme ile çalışacak biçimde yapılmıştır.
• Üniversal motorlar: AC ya da DC ile çalışabilen, seri sargılı kolektörlü motorlardır; matkap ve elektrikli süpürgelerde yaygındır.
• Lineer motorlar: aynı ilkelerin düz açılmış hâli; tork yerine doğrusal kuvvet üretir.

Motor türü seçimi rehberi bunları ayrıntılı olarak karşılaştırır.

Curvo Studio simülatörlerinde deneyin

Fırçalı DC motor simülatörünü açın ve 3B sahnede fırçaların ve kolektörün döndüğünü izleyin. Besleme gerilimini ve Mekanik yükü artırın; Tork, Armatür akımı ve Geri EMK değerlerini okuyun. Polarite kontrolüyle Pozitif ve Ters arasında geçiş yapın ve dönüş yönünün değiştiğini görün.

Elektronik komütasyonu görmek için fırçasız DC motor simülatörünü açın. PWM görev oranını ve Komütasyon sırasını değiştirin; rotor takip ederken U, V ve W fazlarının sırayla enerjilendiğini izleyin.

Son olarak DC jeneratör simülatörünü açın ve Üretilen EMK ile Uç gerilimi değerlerini motorun Geri EMK değeriyle karşılaştırın: aynı makine, enerji ise ters yönde akıyor.

Simülatörde deneyin