Doğru Akım Motorları (DC Motorlar): Yapısı, Çeşitleri ve Çalışması

Doğru akım motorları (DC motorlar), elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren ve özellikle otomotiv sistemlerinde yaygın olarak kullanılan elektrik motorlarıdır. Silecek motorları, kalorifer fan motorları, cam kaldırma motorları, koltuk ayar motorları, merkezi kilit sistemleri ve marş motorları gibi birçok sistemde doğru akım motorlarından yararlanılır.

Motorlu Araçlar Teknolojisi alanında eğitim gören öğrencilerin doğru akım motorlarının yapısını, çalışma prensibini, çeşitlerini, hız ve yön kontrolünü, ayrıca ölçüm ve kontrol yöntemlerini bilmeleri araç elektrik sistemlerini anlamaları açısından önemlidir.

Bu yazıda doğru akım motorlarının yapısı, çeşitleri, çalışma prensibi, dönüş yönünün değiştirilmesi, hız kontrolü, otomotivdeki kullanım alanları ile ölçüm ve kontrol işlemleri ele alınacaktır.

Doğru Akım Motoru Nedir?

Doğru akım motoru, doğru elektrik akımını dönme hareketine dönüştüren elektromekanik bir makinedir. Klasik fırçalı DC motorlarda statorun oluşturduğu manyetik alan ile endüvi iletkenlerinden geçen akımın etkileşimi sonucunda elektromanyetik kuvvet ve dönme momenti meydana gelir.

DC motorların önemli özelliklerinden biri, uygun kontrol devreleri kullanılarak hızlarının ve dönüş yönlerinin kontrol edilebilmesidir. Bu özellikleri nedeniyle otomotiv, otomasyon ve hareket kontrol sistemlerinde yaygın olarak kullanılırlar.

1. Doğru Akım Motorlarının Yapısı

Klasik fırçalı doğru akım motorları temel olarak endüvi, stator, komütatör, fırçalar, mil, rulmanlar ve gövdeden oluşur.

1.1 Endüvi (Rotor)

Endüvi, klasik doğru akım motorunun dönen kısmıdır. Endüvi nüvesi üzerinde iletken sargılar bulunur. Bu sargılardan akım geçtiğinde statorun manyetik alanıyla etkileşime giren elektromanyetik kuvvet meydana gelir.

Oluşan kuvvetler motor milinde dönme momenti meydana getirerek rotorun hareket etmesini sağlar.

1.2 Stator

Stator motorun sabit kısmıdır ve motorun ana manyetik alanının oluşturulmasını sağlar.

Motorun tasarımına göre manyetik alan:

• Kalıcı mıknatıslarla
• Alan sargılarıyla oluşturulan elektromıknatıslarla

meydana getirilebilir.

1.3 Komütatör

Komütatör, fırçalı doğru akım motorlarının önemli parçalarından biridir. Endüvi sargılarıyla bağlantılı olan komütatör dilimleri, rotor dönerken uygun sargılardaki akım yönünün değiştirilmesini sağlar.

Böylece motorun dönme momentinin uygun yönde devam etmesine yardımcı olur.

1.4 Fırçalar

Fırçalar genellikle karbon esaslı malzemelerden üretilir ve sabit elektrik devresi ile dönen komütatör arasında elektriksel bağlantı sağlar.

Fırçalar komütatör yüzeyiyle sürekli temas halinde oldukları için zamanla aşınabilir ve üretici bakım talimatlarına göre kontrol edilmeleri gerekir.

1.5 Mil ve Rulmanlar

Mil, motor tarafından oluşturulan dönme hareketini yük sistemine aktarır. Rulmanlar ise rotor ve milin düşük sürtünmeyle düzgün biçimde dönmesine yardımcı olur.

1.6 Gövde

Motor gövdesi iç parçaları dış etkilere karşı korur, mekanik dayanım sağlar ve motor tasarımına bağlı olarak oluşan ısının uzaklaştırılmasına yardımcı olur.

2. Doğru Akım Motorlarının Çeşitleri

Doğru akım motorları, alan manyetik alanının oluşturulma ve sargıların bağlanma biçimine göre farklı türlere ayrılabilir.

Seri Motorlar

Seri doğru akım motorlarında alan sargısı ile endüvi sargısı seri olarak bağlanır. Aynı akım alan ve endüvi devresinden geçer.

Özellikleri

• Yüksek kalkış momenti sağlayabilir.
• Motor hızı yüke bağlı olarak önemli ölçüde değişebilir.
• Yüksüz çalıştırılması tehlikeli derecede yüksek devre neden olabileceğinden uygun değildir.
• Yüksek kalkış momenti gerektiren uygulamalarda kullanılabilir.

Kullanım Alanları

• Marş motorları
• Vinç ve kaldırma sistemleri
• Bazı çekiş uygulamaları
• Yüksek kalkış momenti gerektiren sistemler

Otomobillerde kullanılan klasik marş motorları, seri motor çalışma prensibinin önemli uygulamalarından biridir. Motorun ilk hareketini sağlayabilmek için marş sırasında yüksek torka ihtiyaç duyulur.

Şönt Motorlar

Şönt doğru akım motorlarında alan sargısı endüvi devresine paralel bağlanır. Alan akımı ile endüvi akımı farklı devrelerden geçebilir.

Şönt motorların önemli özelliklerinden biri, uygun çalışma koşullarında yük değişimlerine karşı hızlarının seri motorlara göre daha kararlı olmasıdır.

Kompunt Motorlar

Kompunt doğru akım motorlarında hem seri hem de şönt alan sargıları bulunur. Böylece motor tasarımına bağlı olarak seri ve şönt motorların bazı özelliklerinden birlikte yararlanılabilir.

Kalıcı Mıknatıslı DC Motorlar

Kalıcı mıknatıslı doğru akım motorlarında stator manyetik alanı alan sargısı yerine kalıcı mıknatıslarla oluşturulur.

Kompakt yapıları nedeniyle otomotivde:

• Silecek sistemlerinde
• Cam kaldırma sistemlerinde
• Koltuk ayar mekanizmalarında
• Ayna ayar sistemlerinde
• Merkezi kilit sistemlerinde

kullanılabilirler.

Servo ve Step Motor Sistemleri

Servo motorlar ve step motorlar hareket kontrolünde yaygın olarak kullanılan motor sistemleridir. Bunlar çalışma ve kontrol yöntemleri bakımından klasik fırçalı doğru akım motorlarından ayrı değerlendirilmelidir. Servo sistemlerde kullanılan motor DC, AC veya fırçasız yapıda olabilir.

Servo Motorlar

Servo sistemler, motorun konumunun, hızının veya momentinin hassas biçimde kontrol edilmesini sağlayan kapalı çevrim hareket kontrol sistemleridir.

Özellikleri

• Hassas konum kontrolü sağlayabilir.
• Geri besleme sistemi kullanır.
• Hız ve konum kontrolü yapılabilir.
• Uygun kontrol sistemiyle yüksek doğruluk elde edilebilir.

Kullanım Alanları

• Robotik sistemler
• CNC tezgâhları
• Endüstriyel otomasyon
• Kamera konumlandırma sistemleri
• Hassas hareket kontrol sistemleri

Servo sistemlerde konum, hız veya hareket bilgisi için enkoder, resolver veya uygulamaya göre farklı geri besleme elemanları kullanılabilir.

Step Motorlar (Adım Motorları)

Step motorlar, sürücü tarafından uygulanan elektriksel darbeleri belirli açısal hareketlere dönüştüren motorlardır.

Özellikleri

• Her sürme adımında belirli bir açısal hareket gerçekleştirir.
• Uygun sürücüyle hassas konumlandırma yapılabilir.
• Açık çevrim kontrol sistemlerinde kullanılabilir.
• Uygulamaya göre geri beslemeli olarak da kontrol edilebilir.

Kullanım Alanları

• 3D yazıcılar
• CNC sistemleri
• Yazıcılar
• Otomasyon sistemleri
• Robotik uygulamalar

Örneğin tam adım açısı 1,8° olan bir step motor, tam adım sürme koşullarında 200 adımda bir tam tur tamamlar.

3. Doğru Akım Motorlarının Çalışma Prensibi

Doğru akım motorlarının çalışma prensibi, manyetik alan içerisinde akım taşıyan iletkene kuvvet etki etmesi esasına dayanır.

Klasik fırçalı bir DC motorun çalışması genel olarak şu şekilde gerçekleşir:

1. Motora doğru gerilim uygulanır.
2. Akım fırçalar üzerinden komütatöre ulaşır.
3. Komütatör üzerinden endüvi sargılarına akım aktarılır.
4. Endüvi iletkenlerinden geçen akım manyetik alanla etkileşir.
5. İletkenler üzerinde elektromanyetik kuvvet meydana gelir.
6. Bu kuvvetler rotor üzerinde dönme momenti oluşturur.
7. Rotor ve motor mili dönmeye başlar.
8. Komütatör, rotorun konumuna göre uygun endüvi iletkenlerindeki akım yönünü değiştirerek momentin aynı dönüş yönünde devam etmesini sağlar.

Manyetik alan içerisinde bulunan akım taşıyan bir iletkene etki eden kuvvet; manyetik akı yoğunluğu, iletkenden geçen akım, etkin iletken uzunluğu ve alan ile iletken arasındaki açı gibi faktörlere bağlıdır.

Doğru Akım Motorlarında Dönüş Yönünün Değiştirilmesi

Kalıcı mıknatıslı fırçalı DC motorlarda besleme geriliminin kutupları ters çevrildiğinde endüvi akımının yönü değişir ve motor ters yönde döner.

Alan sargılı DC motorlarda ise dönüş yönünü değiştirmek için endüvi akımının veya alan akımının yönlerinden biri değiştirilir. Her ikisinin yönü aynı anda değiştirilirse motorun dönüş yönü değişmeyebilir.

Dönüş yönünün iki yönlü kontrol edilmesi:

• Cam kaldırma motorlarında
• Koltuk ayar motorlarında
• Merkezi kilit mekanizmalarında
• Ayna ayar sistemlerinde
• Robotik uygulamalarda

kullanılabilir.

Doğru Akım Motorlarında Hız Kontrolü

DC motorların hızı motorun yapısına, besleme gerilimine, manyetik alana, yüke ve kullanılan kontrol yöntemine bağlıdır.

Gerilim ile Hız Kontrolü

Kalıcı mıknatıslı bir DC motorda çalışma sınırları içerisinde motora uygulanan ortalama gerilimin değiştirilmesi motor hızının kontrol edilmesine yardımcı olur.

Ancak bir motorun anma geriliminin üzerinde çalıştırılması uygun değildir. Bu nedenle 6 V, 12 V veya 24 V gibi değerler aynı motora gelişigüzel uygulanmamalı; motor üreticisinin belirlediği anma gerilimine uyulmalıdır.

PWM ile Hız Kontrolü

Modern elektronik sistemlerde doğru akım motorlarının kontrolünde PWM (Darbe Genişlik Modülasyonu) yaygın olarak kullanılır.

PWM yönteminde besleme gerilimi hızlı şekilde anahtarlanır ve görev oranı değiştirilerek motora aktarılan ortalama enerji kontrol edilir.

Bu yöntem sayesinde:

• Motor hızı elektronik olarak kontrol edilebilir.
• Güç elektroniği elemanlarında verimli anahtarlama sağlanabilir.
• Kontrol hassasiyeti artırılabilir.

Araçlardaki fan, pompa ve çeşitli aktüatör sistemlerinde uygulamaya bağlı olarak PWM kontrollü motor sürücüleri kullanılabilir.

Doğru Akım Motorlarının Avantajları

DC motorların özellikleri motor tipine göre değişmekle birlikte başlıca avantajları şunlardır:

• Hız ve yön kontrolü kolay gerçekleştirilebilir.
• Uygun motor tiplerinde yüksek kalkış momenti elde edilebilir.
• Farklı gerilim ve güç seviyelerinde üretilebilir.
• Elektronik kontrol sistemleriyle birlikte kullanılabilir.
• Otomotiv yardımcı sistemlerine uygun kompakt modelleri bulunur.

Doğru Akım Motorlarının Dezavantajları

Özellikle fırçalı doğru akım motorlarında:

• Fırçalar zamanla aşınabilir.
• Komütatör bakım gerektirebilir.
• Fırça-komütatör temasında kıvılcım oluşabilir.
• Mekanik temas nedeniyle bakım ihtiyacı artabilir.
• Yüksek devir ve yoğun kullanımda fırça-komütatör aşınması artabilir.

Bu nedenlerle bazı uygulamalarda elektronik komütasyon kullanan fırçasız motor teknolojileri tercih edilmektedir.

4. Doğru Akım Motorlarında Ölçüm ve Kontroller

Bir doğru akım motorundaki elektriksel veya mekanik arızaların belirlenebilmesi için motorun tipine ve üretici talimatlarına uygun ölçüm ve kontroller yapılmalıdır.

Kontrollere başlamadan önce motorun enerjisi güvenli şekilde kesilmeli ve devrenin enerjisiz olduğu doğrulanmalıdır.

Görsel Kontrol

Ölçümlere başlamadan önce motor ve bağlantıları gözle kontrol edilmelidir.

Kontrol edilecek başlıca noktalar:

• Kablo ve bağlantı hasarları
• Yanık veya aşırı ısınma izleri
• Fırça aşınması
• Komütatör yüzeyi
• Gövde ve bağlantı noktaları
• Mil ve rulmanlardaki mekanik problemler

Sargı Direnci Ölçümü

Motor enerjisiz ve devreden uygun şekilde ayrılmış durumdayken sargıların elektriksel sürekliliği ve direnç değerleri uygun ölçü aletiyle kontrol edilebilir.

Sonsuz veya beklenenden çok yüksek direnç kopuk devreye işaret edebilir. Beklenmeyen direnç değerleri ise sargı, bağlantı veya temas problemlerinin araştırılmasını gerektirir.

DC motor sargılarının dirençleri oldukça düşük olabileceğinden, yalnızca standart bir multimetre ölçümüne bakılarak sarımlar arası kısa devre hakkında kesin karar verilmemelidir.

Süreklilik Kontrolü

Uygun devrelerde multimetrenin süreklilik fonksiyonu kullanılarak:

• Kablo kopuklukları
• Açık devre bağlantıları
• Bazı bağlantı problemleri

kontrol edilebilir.

Süreklilik testi tek başına motorun bütün elektriksel arızalarını belirlemek için yeterli değildir.

İzolasyon Direnci Kontrolü

Özellikle uygun endüstriyel motorlarda sargılar ile motor gövdesi arasındaki izolasyon direnci, üretici tarafından belirtilen test yöntemine ve gerilimine uygun bir izolasyon direnci ölçüm cihazıyla kontrol edilebilir.

Motor elektronik sürücü veya kontrol modülüne bağlıysa izolasyon testi yapılmadan önce üretici servis prosedürleri mutlaka dikkate alınmalıdır.

Akım Ölçümü

Motorun çalışma akımı uygun ölçüm cihazıyla kontrol edilir ve mümkünse üretici teknik verileriyle karşılaştırılır.

Normalden yüksek akım:

• Aşırı mekanik yük
• Mil veya mekanizma sıkışması
• Rulman problemi
• Besleme gerilimi problemi
• Motor içerisindeki elektriksel arızalar

gibi farklı nedenlerden kaynaklanabilir.

Gerilim Ölçümü

Motor çalıştırılırken veya çalışırken motor uçlarındaki gerilim uygun ölçü aletiyle kontrol edilebilir.

Motor uçlarındaki gerilimin beklenenden düşük olması durumunda:

• Akü veya güç kaynağı
• Kablo ve soketlerdeki gerilim düşümü
• Röle ve anahtarlama elemanları
• Sigorta ve bağlantı noktaları
• Elektronik kontrol devresi

kontrol edilmelidir.

Fırça Kontrolü

Fırçalı DC motorlarda fırçaların durumu motor performansı açısından önemlidir.

Kontrol sırasında:

• Fırça uzunluğu ve aşınma miktarı
• Yayların durumu ve basıncı
• Fırçaların yuvalarında rahat hareket edip etmediği
• Komütatörle temas yüzeyi

incelenmelidir.

Değiştirme sınırı ve bakım işlemleri için üretici teknik değerleri esas alınmalıdır.

Komütatör Kontrolü

Komütatör yüzeyi aşınma, yanma, kirlenme ve mekanik hasar açısından kontrol edilmelidir.

Aşırı yanmış, düzensiz aşınmış veya hasar görmüş komütatör yüzeyi fırça temasını ve motor performansını olumsuz etkileyebilir.

Komütatör üzerinde yapılacak temizleme veya mekanik işlemler motor üreticisinin bakım prosedürlerine uygun gerçekleştirilmelidir.

Otomotiv Sistemlerinde Kullanılan Doğru Akım Motorları

Modern araçlarda farklı çalışma prensiplerine sahip çok sayıda küçük elektrik motoru ve elektrikli aktüatör kullanılmaktadır. Bunların önemli bir bölümünde DC motor teknolojilerinden yararlanılır.

Başlıca kullanım alanları:

• Marş motoru
• Silecek motoru
• Kalorifer ve havalandırma fan motorları
• Cam kaldırma motorları
• Sunroof motoru
• Elektrikli yakıt pompası
• Koltuk ayar motorları
• Merkezi kilit aktüatörleri
• Ayna ayar motorları
• Elektrikli direksiyon destek sistemlerinde kullanılan elektrik motorları

Bu sistemlerde kullanılan motor tipi aracın tasarımına göre fırçalı DC motor, fırçasız motor veya farklı kontrollü elektrik motoru teknolojilerinden biri olabilir.

Motorlu Araçlar Teknolojisi öğrencilerinin bu motorların temel çalışma prensiplerini öğrenmeleri; araç elektrik, elektronik ve konfor sistemlerini anlamalarını kolaylaştırır.

Sonuç

Doğru akım motorları, elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren ve özellikle otomotiv yardımcı sistemlerinde yaygın olarak kullanılan elektrik makineleridir. Fırçalı DC motorlarda endüvi, stator, komütatör ve fırçaların birlikte çalışması sonucunda dönme hareketi meydana gelir.

Motor tipine göre yüksek kalkış momenti, kolay yön değiştirme ve elektronik hız kontrolü gibi avantajlardan yararlanılabilir. Bununla birlikte özellikle fırçalı motorlarda fırça ve komütatör aşınmaları nedeniyle düzenli kontrol gerekebilir.

Doğru akım motorlarının yapısını, çalışma prensibini, hız ve yön kontrolünü, kullanım alanlarını ve temel ölçüm yöntemlerini öğrenmek Motorlu Araçlar Teknolojisi öğrencileri için önemli bir mesleki kazanımdır.

Doğru Akım Motorları Sınavı

Araç elektrik sistemleriyle ilgili diğer ders ve uygulamaları MotorDersi ana sayfasından inceleyebilirsiniz.