Frame(Gövde)

Quadcopterin temel parçalarından biri olan frame yani çerçeve en basit yapı malzemesi olarak plastik kullanılır. Profesyonel quadcopter yapan için hafif, darbe ve çarpmalar dayanıklı ayrıca hafif olan carbon fiber tercih edilmektedir.

Frame bir çok çeşitleri mevcuttur.(F450, F550, 250mini)Yapmak istenilen quad ın amacına en verimli şekilde hizmet etmesi için frame seçimi önemlidir. Özellikle quadlar konusunda yeni olan arkadaşlar için plastik frameler tercih edilmesi tavsiye edilir. Frame üzerine yerleştirilen kart quadcopterin yönünü belirler.

Şekil.1 Frame F450

Şekil.2. Frame 250mini quad

Simmechanics ile Motor-Pervane

Mekanik aksan için kullanılacak elamanlar şase, pervane, çerçeve ve motorlardır. Yüksek bir performans ve basit kontrol algoritmaları için motorlar ve pervaneler eşit uzaklıkta olmalıdır. Karşılıklı pervanelerin de aynı yönde dönmeleri gerekmektedir.  Çerçeve olarak karbon fiber ve alüminyum alaşımdan yapılmış, hafif ve dayanıklı olanı seçilmiştir.

Şekil 1 Quadcopter SimMechanics blok diyagramı

Motor çıkışından alın Revolet ile pervanin dönmesi sağlanmaktadır. Revolute bağlı olan Joint actuator yani tor olarak isimlendirilen bloktan O.5 Nm’lik bir tork ile pernanenin dönmesini sağlayan değer atanır. Joint sensör ile ise çıkışı Tork olan yani Scope dan Tork grafiğini zamana göre elde edilir.  Body sensör ile ise konumu çıkışını almak için scope bağlanır.
Dairesel blok ile ise pervanenin dairesel olarak dönerken RPM yani hızını ölçmek için joint sensör ile beraber scope dan zaman göre grafiği elde edilir.
Enw olarak gösterilen blok ise yerçekimi değeri tanımlanır,  Rootground ile ise yüzeye olan uzaklı tanımlanır. Weld bloğu durumlar arasındaki ilişkiyi sağlar. Body coordinate systems (CS) Sürücü tarafından seçilen vücut CS bağlı bir komşu organ ya da zemin üzerinde koordinat sistemi olarak tanımlanır.

Şekil 2 Quadcopter SimMechanics motor ve pervane mekaniği-1

Şekil 3 Quadcopter SimMechanics motor ve pervane mekaniği-2

Şekil 4 Quadcopter SimMechanics 0.5 Nm ‘lik Tork Grafiği

Şekil 5 Quadcopter SimMechanics 0.5 Nm Torktaki RPM Grafiği

Şekil 6 Quadcopter SimMechanics Konum Grafiği

Quadcopter pervanesi döndüğünde, konum sabit kalacaktır. Bundan dolayı konum grafiğinde görüldüğü gibi sadece konum da değişiklik olmayacaktır. 

Maxwell DC Fırçasız Motor Analizi

Quadcopter projemizde DC fırçasız motor kullanılacak. Motor max 17 amper değerindedir. 800 Kv’lik motor 11,1 volt da 888 RPM hız ile pervaneyi hareket ettirmektedir. Gücü max 180 watt’tır. Maxwell de motor tasarımı ve analiz aşamaları özetlenecek olursa aşamaları sırayla şunlardır; 

a.      İlk olarak çizilecek motorun maxwell 3D olarak seçilmeli ve analiz tipi(Magnetic, elektriksel…) belirlenmelidir.

Şekil 1 Maxwell başlangıç aşaması

b. Daha sonra Modeler-Units’den çizim ölçülerinin hangi birimde olacağı belirlenmelidir. (mm, cm…)

Şekil 2 Maxwell ölçü birimi seçimi

c.   Daha sonra Draw-Cylinder Statoru oluşturmak için bir silindir çizilir. (X, Y, Z) düzlemlerinde çizilecek merkez noktası belirlenir daha sonra (dx, dy, dz) noktaların ölçüler girilip XY düzleminde çizim yapılacaksa Z düzlemi katılaştırma olur. Daha sonra soldan açılan solids altındaki menülerden Cylinder1 ismindeki stator için seçilen sindire Out_arm ismi Cylindir çift tıklanarak verilir.

Şekil 3 Maxwell stator için silindir çizimi

d.   Out_arm içinde bir silindir daha çizilir. Out_arm içini boşaltmak için dış silindir içine ondan daha küçük çaplı bir silindir çizilip Out_arm dış önce seçilir sonrada içteki silindir seçilip Modeler>Boolean>Subtract seçilir. 

Şekil 4 Maxwell stator için silindir çizimi

e.     Stator çizildikten sonra motor tipine göre statorda kaç kutup varsa oana göre bir kutu çizilip daha sonra move ile taşını ve Mirror yapılır ya da Around axis yapılıp çoğaltılır. Draw>Box(Kutu çizimi) ve Edit>Duplicate>Mirror sayı artırılır. Daha sonrada Önce Out_arm seçilir ve kutuplar birlikte seçilip Modeler>Boolean>Unite işlem tamamlanır.

Şekil 5 Maxwell stator kutupları

f.    Stator çizimini tamamlamak için kutup uçlarını düzenlemek için bir silindir çizilerek kopyalanır ve Out_arm ile bir silindir selçilip Modeler>Boolean>Subtract denilir. Daha sonra tekrar bir silindir çizilip yarıçapı ilk çilen Cylindir1 den küçük olmalıdır. Tekarar Modeler>Boolean>Subtract yapılır. İçi boşalan silindire Inner_arm yani rotor çizilmiş olur. 

Şekil 6 Maxwell stator ve rotor

g.   Stator için çizilen kutup aşamalar rotor içinde aynen takip edilir. Daha sonra kutup eksenleri ovalleştirmek için kutupları sınırları içinde kalacak şekilde bir silindir çizilip Modeler>Boolean>Intersect yapılır.

Şekil 7 Maxwell rotor kutupları

h.   ZX düzlemi seçili bir yüzey oluşturulur. Path isimlendirilir. Modeler>Coordinate System> Create> Relative CS>Offset. Sonrada Draw>Rectangle çizilir. Sonra Edit>Select>Faces .  Modeler>Surface>Uncover Faces. Sırasıyla işlemler yapılı.

Şekil 8 Maxwell ZX yüzey oluşturma

i. YZ düzlemi içinde bir düzlem oluşturulur. Ve birinci ve ikinci düzlem seçilip  Draw>Sweep>Along Path yapılır. Coil1 olarak kömür çizilmiş olur.

Şekil 9 Maxwell Coil1 Oluşturma

j.  Coil1 içerisine bir Clinder çizilir. Coil1 ve path seçilip Modeler>Boolean>Intersect. Sonra Edit>Arrange>Move. Daha sonrada Coil1 Edit>Duplicate> Arround axis yapılır. Stator kutup sayısı kadar çoğaltılır. Bizim motor için 6 stator kutup var.

Şekil 10 Maxwell motor 3D tasarımı

k.  Coil1ler seçilip terninal atanıp Current değerini geçirmek için şu işlemler takip edilir. Modeler>Surface>Section, XY düzlemini seçilir. Modeler>Boolean>Separate Bodies. Daha sonrada Coil1_1_Section1_Separate1-2-3-4-5 silinir ve sadece her kutup için bir terminal bırakılır çünkü akım birinden girip çıkması gerekir. Sheets de Coiller Section1-2-3-4-5-6 olarak değiştirilir 6 kutuplu için. 

Şekil 11 Maxwell coil terminalleri

I.    Motor manyetik alan oluşturmak için bir kutu içerisine alınır. Draw>Box. Ve Kutunun görüntüsü şeffaf bir hale getirilerek görünümü kolaylaştırılır. Properties> Transparent 0.9 yapılır. Ve daha sonra Inner_arm yani rotor seçilerek Rotate yapılıp derece verilir. Edit>Arrange>Rotate. 29° derece standart olarak seçilir. 

Şekil 12 Maxwell kutu oluşturma ve rotoru 29° deg döndürme

m.  Malzeme seçimi yapılır ve B-H değerleri ile malzeme tipi belirlenir. Coiller için Copper. Outer_arm çitf tıklanır. Properties> Material> Value> Edit> Add Material> Relative Permeability> Nonlinear> BH Curve ve B ve H için değerler girilir. 

Şekil 13 Maxwell malzeme tanımlama ve seçme

n.  Coil1 için Current değeri girilir bizim motor için 10 amper değerinde analiz yapıldı. Maxwell3D>Excitations>Assign>Current. Burada dikkate edilecek nokta Coiller seçilirken karşılık açılı olan sadece iki coil terminali seçili akım geçirilir. Hepsi birlikte seçilmez. 

Şekil 14 Maxwell current 10 amper değeri

o.       Inner_arm seçilerek Tork uygulanır. Project Manager>Parameters>Assign> Torque sonrada aynı sıra takip edilerek matrix yani gruplandırma yapılır. Matrixten akım uygulanan iki terminal seçilip grup oluşturulur.

Şekil 15 Maxwell tork ve matrix oluşturma

p.   Son olarak analiz içinde Analysis field> Add Solution Setup>OK.  Analysis field sağ tıkla Analyze All denir. Daha sonra Field Overlays> Fields>B>B_Vector(manyetik akın yoğunluğu vektörü) manyetik alan görülür. Aynı sıra takip edilerek B_Mag( Manyetik akı yoğunluğu büyüklüğü) çizdirilir.

Şekil 16 Maxwell B_Vector (Manyetik akı yoğunluğu vektörü )

Vektörel manyetik analizde görüdüğü gibi akımın stator kutupdan birbirlerine dereceli bakan rotor kutup noktalarında manyetik alanın yüksek olduğu görünür. Vektörel okların rotor kutbundan stator kutbu üzerinde çevrimi tamamlar. Dikkate edilecek nokta karşılık olarak 29° açıya sahip stator ve rotor kutupları arasında bir akım geçirilerek sonuçlar elde edildi.

Şekil 17 Maxwell B_mag (Manyetik akı yoğunluğu )

Manyetik akı yoğunluğunun vektörelde olduğu stator kutbundan rotor kutbuna akımın geçiş yaptığı noktalarda bir yoğunluğun olduğu görülmektedir. Akım giriş yaptığı kutup ile çıkış yaptığı kutup arasında bir yoğunluk söz konusudur. Rotor, statora göre 29 ° derece yerleştirilmiştir.

q.    Parametre değerleri atayarak motorun Inner_arm rotate değerini karakter atayarak rotorun 0-30° kadar 5° artırarak Tok-Derece grafiğini ve Endüktan-Derece grafiği elde ettik. Optimetrics>Add>Parametric>OK. Aynı pencereden Add/Edit Calculation>Magnetostatic>Report Type, Setup1:LastAdaptive>Solution>Trace basılır. Daha sonra Category altındaki Torque>Torque1.Torque>Add Calculation. Sonrada Lnom>Matrix1.L(Current_1, Current_1) >Add Calculation endüktanslar seçilir Ok Create Magnetostatic Report>Rectangular Plot>New Report> Torque seçilir aynı işlemlemler endüktans seçimi içinde yapılır.

Şekil 18 Maxwell Tork-Derece

Tork-Derece eğrisinde açıkça görülmektedir ki açı değeri arttıkça tork değerinin azaldığı m1 noktasında tork değeri en yüsek yani 1,6670 Nm iken açı değerimiz ise sıfır değerindedir. m8 noktasında açı değerimiz maksimum noktada iken tork değerimiz negatif bir konum yani -103,8483 Nm olduğu görülmektedir.

Şekil 19 Maxwell L1-L2 endüktans eğrileri

L1 ve L2 indüktansları neredeyse örtüşüyor. İlgili indüktanslar aynı olmalıdır çünkü bu normaldir. Endüktans değerinin açı ile ters orantılı olduğu grafikte görülmektedir. L1 endüktansı yani Current1 (akım) girdiği, L2 ise akımın çıktığı noktadır. İki terminal arasında akım döngü içerisinde takip eder ve buna bağlı olarak endüktans ve derece arasında ilişki ters orantılı olarak birbirini izler.

Tasarlanan motor çesidine göre rotor ve stator tasarımları gerçekleştirilir. Bu şekilde analizler yapılarak motor da akıma göre oluşacak rotor ve stator  magnetik alanları görülebilir.