في صناعة التحكم في السوائل المصغرة، تعد المحركات بدون فرش مصدر الطاقة الأساسي للمعدات السائدة، بما في ذلك مضخات المياه المصغرة ومضخات التفريغ المصغرة. تتعاون صمامات الملف اللولبي الصغيرة مع المحركات لتحقيق تنظيم التدفق التلقائي. في الآونة الأخيرة، ركز العديد من مشتري المعدات على أداء BLDC؛ ولذلك، فإننا نطلق مقالة علمية شهيرة متسلسلة لتوضيح المعرفة الأساسية لهذا المحرك عالي الكفاءة.
فهم مبادئ وتطبيقات المحركات عالية الكفاءة: تقوم المحركات الكهربائية بتحويل الطاقة الكهربائية الموردة إلى طاقة ميكانيكية. يتم استخدام أنواع مختلفة من المحركات الكهربائية على نطاق واسع. من بينها، تتميز محركات التيار المستمر بدون فرش (BLDC) بكفاءة عالية وإمكانية تحكم ممتازة، وتستخدم على نطاق واسع في العديد من التطبيقات. بالمقارنة مع الأنواع الأخرى من المحركات، تتمتع محركات BLDC بمزايا توفير الطاقة.
المحركات الكهربائية هي آلات نقل كهربائية.
عندما يواجه المهندسون التحدي المتمثل في تصميم المعدات الكهربائية لأداء المهام الميكانيكية، فقد يفكرون في كيفية تحويل الإشارات الكهربائية إلى طاقة. لذلك تعد المحركات والمحركات من الأجهزة التي تحول الإشارات الكهربائية إلى حركة. تقوم المحركات بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية.
أبسط محرك كهربائي هو محرك DC بدون فرش. في هذا النوع من المحركات، يتدفق التيار عبر ملفات موضوعة داخل مجال مغناطيسي ثابت. يولد التيار مجالًا مغناطيسيًا في الملفات؛ يؤدي هذا إلى دوران مجموعة الملف حيث يتم دفع كل ملف بعيدًا عن القطب الخاص به وسحبه نحو قطب المجال المغناطيسي الثابت. للحفاظ على الدوران، يجب عكس التيار باستمرار، مما يتسبب في عكس قطبية الملف بشكل مستمر، مما يؤدي إلى استمرار الملفات في "مطاردة" قطب المجال المغناطيسي المعاكس. يتم توفير الطاقة للملفات عن طريق فرش موصلة ثابتة تتصل بالمبدل الدوار؛ يؤدي دوران العاكس إلى تدفق التيار عبر الملفات في الاتجاه المعاكس. يعتبر المبدل والفرش من المكونات الرئيسية التي تميز محركات التيار المستمر المصقولة عن المحركات الأخرى.
يوضح الشكل 1 المبدأ العام لمحرك DC المصقول.
الشكل 1: تشغيل محرك DC ناعم.
توفر الفرش الثابتة الطاقة الكهربائية للمبدل الدوار. أثناء دوران العاكس، فإنه يعكس باستمرار اتجاه تدفق التيار إلى الملفات، وبالتالي عكس قطبية الملفات وإبقائها تدور إلى اليمين. يدور العاكس لأنه متصل بالدوار الذي تم تركيب الملفات عليه.
أنواع المحركات الشائعة
تختلف المحركات في نوع الطاقة (AC أو DC) وطريقة توليد الدوران (الشكل 2). وفيما يلي، نقدم بإيجاز خصائص وتطبيقات كل نوع.
الشكل 2: أنواع مختلفة من المحركات
تتميز محركات DC المصقولة بالبساطة في التصميم، وسهلة التحكم، وتستخدم على نطاق واسع لفتح وإغلاق أدراج الأقراص. في السيارات، يتم استخدامها بشكل شائع لسحب النوافذ الجانبية الكهربائية وتمديدها ووضعها. التكلفة المنخفضة لهذه المحركات تجعلها مناسبة للعديد من التطبيقات. ومع ذلك، فإن العيب هو أن الفرش ومبدل التيار يميلان إلى التآكل بسرعة نسبية بسبب الاتصال المستمر، مما يتطلب استبدالًا متكررًا وصيانة منتظمة.
يتم تشغيل المحركات السائر بواسطة نبضات. لكل نبضة يتم استقبالها، تدور بزاوية محددة (خطوات). نظرًا لأن عملية الدوران يتم التحكم فيها بالكامل من خلال عدد النبضات المستلمة، فإن هذه المحركات تستخدم على نطاق واسع لتعديل الموضع. يتم استخدامها غالبًا للتحكم في عملية تغذية الورق في أجهزة الفاكس والطابعات — لأن هذه الأجهزة تقوم بتغذية الورق بخطوات ثابتة، ويمكن ربط هذه الخطوات بسهولة بعدد النبضات. من السهل أيضًا تنفيذ التحكم في الإيقاف المؤقت، حيث يتوقف دوران المحرك فورًا عند انقطاع إشارة النبض.
عند استخدام المحركات المتزامنة، تتم مزامنة الدوران مع تردد تيار مصدر الطاقة. تُستخدم هذه المحركات بشكل شائع لدفع الصواني الدوارة في أفران الميكروويف؛ توفر تروس التخفيض في وحدة المحرك سرعة الدوران المناسبة لتسخين الطعام. المحركات الحثية، تختلف سرعة دورانها باختلاف التردد، لكن حركاتها تكون غير متزامنة. وفي الماضي، كانت هذه المحركات شائعة الاستخدام في المراوح الكهربائية والغسالات.
هناك أنواع مختلفة من المحركات شائعة الاستخدام؛ في هذا القسم، سنلقي نظرة على مزايا وتطبيقات محركات التيار المستمر بدون فرش.
لماذا تدور محركات BLDC؟
كما يوحي الاسم، فإن محركات التيار المستمر بدون فرش لا تستخدم الفرش. في المحركات المصقولة، تقوم الفرش بنقل التيار إلى الملفات الموجودة على الدوار عبر مبدل التيار. إذًا، كيف يمكن للمحرك بدون فرش نقل التيار إلى ملفات الدوار؟ لا شيء، لأن الملفات غير موجودة على الدوار. الدوار هو مغناطيس دائم. الملفات لا تدور ولكنها مثبتة على الجزء الثابت. نظرًا لأن الملفات لا تتحرك، ليست هناك حاجة إلى فرش ومبدل التيار. (انظر الشكل 3) في المحركات المصقولة، يتم تحقيق الدوران من خلال التحكم في المجال المغناطيسي الناتج عن الملفات الموجودة على الدوار، بينما يظل المجال المغناطيسي الناتج عن المغناطيس الثابت ثابتًا. لتغيير سرعة الدوران، يجب تغيير الجهد عبر الملفات. في محرك BLDC، يدور المغناطيس الدائم؛ يتم تحقيق الدوران عن طريق تغيير اتجاه المجال الكهرومغناطيسي الناتج عن الملفات الثابتة المحيطة. للتحكم في الدوران، يجب تعديل حجم واتجاه التيار المتدفق إلى هذه الملفات.
الشكل 3: محرك BLDC.
نظرًا لأن الدوار عبارة عن مغناطيس دائم، فإنه لا يتطلب تيارًا، وبالتالي يلغي الحاجة إلى الفرش والمبدلات. يتم التحكم في التيار إلى الملفات الثابتة خارجيًا.
مزايا محركات BLDC
سيكون لمحرك BLDC المزود بثلاثة ملفات على الجزء الثابت ستة أسلاك (اثنان لكل ملف) تمتد من هذه الملفات. في معظم التطبيقات، سيتم توصيل ثلاثة من هذه الأسلاك داخليًا، بينما تمتد الأسلاك الثلاثة المتبقية من جسم المحرك (على عكس سلكي المحرك المصقول الموصوفين سابقًا). تعد الأسلاك داخل غلاف محرك BLDC أكثر تعقيدًا من مجرد توصيل الأطراف الموجبة والسالبة لوحدة إمداد الطاقة؛ سوف نقوم بفحص عمل هذه المحركات بمزيد من التفصيل في الجزء الثاني من هذه السلسلة. أدناه، نختتم بفهم مزايا محركات BLDC.
الميزة المهمة هي الكفاءة، حيث يمكن لهذه المحركات أن تعمل بشكل مستمر بأقصى عزم دوران. في المقابل، لا يمكن للمحركات المصقولة أن تصل إلى أقصى عزم دوران إلا عند نقاط معينة من الدوران. لتوفير نفس عزم الدوران الذي يوفره المحرك بدون فرش، تتطلب المحركات ذات الفرشاة مغناطيسات أكبر. ولهذا السبب، حتى محركات BLDC الصغيرة يمكنها توفير طاقة كبيرة.
الميزة الرئيسية الثانية المتعلقة بالأولى هي إمكانية التحكم. يمكن التحكم في محركات BLDC عبر آليات التغذية الراجعة، مما يوفر بدقة عزم الدوران والسرعة المطلوبة. يؤدي التحكم الدقيق بدوره إلى تقليل استهلاك الطاقة وتوليد الحرارة، وفي الحالات التي يعمل فيها المحرك بالبطارية، يعمل على إطالة عمر البطارية.
نظرًا لعدم وجود فرش، توفر محركات BLDC أيضًا متانة عالية وتوليد ضوضاء كهربائية منخفضة. مع المحركات المصقولة، تتآكل الفرش والمبدل بسبب الاتصال المتحرك المستمر، مما يولد شرارات عند نقاط الاتصال. تنتج الضوضاء الكهربائية، على وجه الخصوص، عن الشرارات القوية التي تتولد بسهولة أثناء مرور الفرش عبر فجوة المبدل. ولهذا السبب تعتبر محركات BLDC بشكل عام خيارًا أفضل في التطبيقات التي يجب تجنب الضوضاء الكهربائية فيها.
التطبيقات المثالية لمحركات BLDC
لقد رأينا أن محركات BLDC توفر كفاءة عالية وإمكانية تحكم، ولها عمر تشغيلي طويل. إذن ما هي استخداماتها؟ نظرًا لكفاءتها وعمرها الافتراضي، فإنها تستخدم على نطاق واسع في معدات التشغيل المستمر. لقد تم استخدامها منذ فترة طويلة في الغسالات، ومكيفات الهواء، وغيرها من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية؛ وفي الآونة الأخيرة، ظهرت أيضًا في المراوح، حيث تقلل كفاءتها العالية بشكل كبير من استهلاك الطاقة.
كما أنها تستخدم لقيادة الآلات الكهربائية. في إحدى الحالات، أدى التغيير في برنامج التحكم إلى قفزة كبيرة في السرعة، وهو مثال على المستوى العالي من إمكانية التحكم الذي توفره هذه المحركات.
تُستخدم محركات BLDC أيضًا لقيادة محركات الأقراص الثابتة؛ تسمح متانتها لمحركات الأقراص بالعمل بشكل موثوق لفترات طويلة، بينما تساعد كفاءتها في استخدام الطاقة على تقليل استهلاك الطاقة في قطاع متزايد الأهمية.
نحو تطبيقات مستقبلية أوسع
يمكننا أن نتوقع أنه في المستقبل، سيتم استخدام محركات BLDC على نطاق واسع في نطاق أوسع من التطبيقات. على سبيل المثال، يمكن استخدامها على نطاق واسع لقيادة روبوتات الخدمة، وهي روبوتات صغيرة تقدم خدمات في قطاعات خارج نطاق التصنيع. قد يعتقد المرء أن المحركات السائر هي أكثر ملاءمة لهذا النوع من التطبيقات، حيث يمكن استخدام النبضات للتحكم الدقيق في تحديد المواقع. ومع ذلك، تعتبر محركات BLDC أكثر ملاءمة للتحكم في القوة. باستخدام محركات السائر، يتطلب الحفاظ على موضع الهياكل مثل أذرع الروبوت تيارًا كبيرًا ومستمرًا نسبيًا. مع محركات BLDC، يتناسب التيار المطلوب مع القوة الخارجية، مما يؤدي إلى تحكم أكثر كفاءة في استخدام الطاقة. قد تحل محركات BLDC أيضًا محل محركات التيار المستمر ذات الفرشاة البسيطة في عربات الجولف والمركبات المتنقلة. بالإضافة إلى الكفاءة الأعلى، توفر محركات BLDC تحكمًا أكثر دقة - والذي بدوره يمكنه إطالة عمر البطارية.
تعتبر محركات BLDC أيضًا مثالية للطائرات بدون طيار. قدرتها على توفير التحكم الدقيق تجعلها مناسبة بشكل خاص للطائرات بدون طيار متعددة الدوار، مما يسمح بالتحكم الدقيق في موقف الطائرة بدون طيار من خلال التحكم في سرعة دوران كل دوار.
