مقدمة إلى منتجات المحركات ذات التيار المستمر بدون فرشاة وتحليل سيناريوهات الاستخدام

مقدمة إلى منتجات المحركات ذات التيار المستمر بدون فرشاة وتحليل سيناريوهات الاستخدام

أولاً: مقدمة إلى المحركات ذات التيار المستمر بدون فرشاة (BLDC)

المحرك ذو التيار المستمر بدون فرشاة (BLDC) هو نوع من محركات التيار المستمر لا يستخدم نقاط تبديل كهربائية ميكانيكية (فرش كربونية)، بل يعتمد بدلاً منها على وحدة تحكم إلكترونية لتحقيق عملية التبديل، ليحل بذلك محل المحرك التقليدي ذي التيار المستمر المزود بالفرش.

والنوع المقابل لهذا المحرك هو المحرك الأساسي «ذو التيار المستمر (المزود بالفرش)». ويتم وضع ملف لفّي داخل مجال مغناطيسي؛ وعند مرور التيار الكهربائي عبره، يُدفع هذا الملف بعيداً عن قطب مغناطيسيٍّ بينما يجذبه القطب الآخر، ما يؤدي إلى دوران مستمر تحت تأثير هذه القوى. وخلال الدوران، يتم عكس اتجاه التيار المار في الملف، مما يسمح له بالاستمرار في الدوران.

في محرك التيار المستمر (المحرك المزود بالفرشاة)، يكون المجال المغناطيسي الناتج عن المغناطيسات الدائمة الثابتة ثابتًا. ويتم تحقيق الدوران من خلال التحكم في المجال المغناطيسي الذي تولّده الملفات (الدوار) الموجودة داخله. وتتغيّر سرعة الدوران بتغيير الجهد الكهربائي. أما في محرك التيار المستمر بدون فرشاة (BLDC)، فيتكوّن الدوار من مغناطيسات دائمة. ويتم تحقيق الدوران بتغيير اتجاه المجال المغناطيسي الناتج عن الملفات المحيطة به. ويتم التحكم في دوران الدوار من خلال تنظيم اتجاه وشدة التيار المار عبر الملفات.

للمحركات الكهربائية ذات التيار المستمر بدون فرشاة (BLDC) ثلاث تكوينات: أحادية الطور، ثنائية الطور، وثلاثية الطور. ومن بين هذه التكوينات، يُعد المحرك ثلاثي الطور بدون فرشاة (Three-phase BLDC) الأكثر شيوعًا. وبشكل عام، تُستخدم المحركات بدون فرشاة أحادية الطور وثلاثية الطور على نطاق واسع في الأجهزة الكهربائية المنزلية اليومية. والأساس النظري لهذين التكوينين متطابق، لكن أساليب التحكم فيها تختلف قليلًا.

في محرك تيار مستمر بدون فرشات أحادي الطور، تُنفَّذ جميع اللفات الداخلية باستخدام سلك واحد. ويختلف اتجاه التيار بين اللفات المختلفة. وبتغيير اتجاه التيار عند المواضع والأوقات المناسبة، يمكن التحكم في دوران المحرك. وطريقة التحكم في هذه التكوينة بسيطة نسبيًّا، ما يجعلها شائعة الاستخدام في تطبيقات مثل مراوح المبرِّدات.

وخلافًا للتكوين أحادي الطور، تُقسَّم اللفات الداخلية لمحرك تيار مستمر بدون فرشات ثلاثي الطور إلى ثلاث مجموعات. وظاهريًّا، تبدو هذه المجموعات كثلاث مجموعات مستقلة من اللفات، لكنها في الواقع متصلة داخليًّا ببعضها البعض. وبالمقارنة مع التكوين أحادي الطور، يوفِّر هذا التكوين للمحرك مزايا في التحكم في السرعة والحد من الضوضاء بشكل عام، ما يؤدي إلى اتساع نطاق تطبيقاته.

ثانيًا: خصائص المحركات بدون فرشات

1. يمكن أن تحل محل تنظيم سرعة المحركات التيارية المستمرة (DC)، وتنظيم سرعة المحركات ذات التردد المتغير المزودة بالعاكسات (Inverter + Variable Frequency Motor)، وتنظيم سرعة المحركات غير المتزامنة المزودة بالناقصات (Asynchronous Motor + Reducer) ;

2. يحتفظ بمزايا المحركات التيار المستمر التقليدية مع التخلص من هيكل الفرشاة الكربونية والحلقة الانزلاقية ;

3. قادر على التشغيل عند السرعات المنخفضة وبقدرة عالية، ويمكنه تشغيل الأحمال الكبيرة مباشرةً دون الحاجة إلى جهاز تخفيض السرعة ;

4حجم صغير، ووزن خفيف، وقدرة إخراج عالية؛

5خصائص عزم دوران ممتازة، وأداء جيد لعزم الدوران عند السرعات المتوسطة/المنخفضة، وعزم بدء تشغيل مرتفع، وتيار بدء تشغيل منخفض؛

6. تنظيم سرعة غير متدرج (بدون تدريج)، ومدى واسع للسرعات، وقدرة عالية على التحمل الزائد ;

7. بدء تشغيل وإيقاف ناعم، وخصائص كبح ممتازة، ويمكن أن يلغي الحاجة إلى أجهزة الكبح الميكانيكية أو الكهرومغناطيسية الأصلية ;

8. كفاءة عالية: لا يُحدث المحرك نفسه أي فقدان بسبب التغذية أو فقدان الفرشاة الكربونية، ويُلغي استهلاك الطاقة الناتج عن التخفيض المتعدد المراحل في السرعة، مما يحقّق وفورات شاملة في استهلاك الطاقة بنسبة تتراوح بين ٢٠٪ و٦٠٪ ;

9. موثوقية عالية، واستقرار جيد، وقدرة تكيّف قوية، وصيانة وإصلاح بسيطان؛

10. مقاوم للاهتزازات والصدمات، ومستوى ضوضاء منخفض، واهتزاز منخفض، وتشغيل سلس، وعمر افتراضي طويل ;

11. عدم توليد شرارات، ومناسب بشكل خاص للبيئات المعرضة للانفجار؛ وتتوفر نماذج مقاومة للانفجار ;

12. يمكن اختيار محركات ذات مجال موجي شبه منحرف أو محركات ذات مجال موجي جيبي وفقًا لمتطلبات الاستخدام .

ثالثًا: سيناريوهات تطبيق المحركات بلا فرشاة

التطبيقات ذات الحمل الثابت

تُستخدم هذه الفئة من التطبيقات أساسًا في المجالات التي تتطلب سرعة دوران معينة، لكنها لا تشترط دقة عالية في الحفاظ على تلك السرعة، مثل المراوح ومضخات المياه ومجففات الشعر. وعادةً ما تكون تكلفة هذه التطبيقات منخفضة نسبيًّا، وتُستخدم فيها غالبًا أنظمة التحكم دون حلقة تغذية راجعة.

التطبيقات ذات الحمل المتغير

تشير هذه بشكل رئيسي إلى التطبيقات التي يتطلّب فيها سرعة المحرك التغيُّر ضمن نطاق معين. وتتميّز هذه التطبيقات بمتطلبات أعلى فيما يتعلّق بخصائص المحرك عند السرعات العالية واستجابته الديناميكية. ومن الأمثلة الجيدة عليها الأجهزة المنزلية مثل غسالات الملابس، وآلات التجفيف بالدوران، والمضخّات الضاغطة. وفي قطاع صناعة السيارات، تشمل الأمثلة الممتازة أيضًا التحكُّم في مضخّات الزيت، والوحدات الإلكترونية للتحكم، والتحكم في المحرك، والأدوات الإلكترونية. كما توجد العديد من التطبيقات في مجال الطيران والفضاء، مثل أجهزة الطرد المركزي، والمضخّات، والأذرع الروبوتية، والجايروسكوبات. وفي هذا المجال، تُستخدم عادةً أجهزة استشعار التغذية الراجعة للمحركات لتنفيذ أنظمة التحكم شبه المفتوحة والمحكومة حلقيًّا (المغلقة الحلقة). وهذا يستلزم خوارزميات تحكُّم معقدة، ما يزيد من تعقيد وحدة التحكُّم وتكلفة النظام.

تطبيقات التموضع

تندرج معظم تطبيقات التحكم الآلي والتشغيل الصناعي في هذه الفئة. وغالبًا ما تتضمّن هذه التطبيقات نقل الطاقة، مثل التروس أو الحزام الناقل. ونتيجةً لذلك، يفرض النظام متطلبات محددة تتعلق باستجابة المحرك الديناميكية للسرعة والعزم. علاوةً على ذلك، قد تتطلب هذه التطبيقات تغييراتٍ متكررةٍ في اتجاه دوران المحرك. وقد يعمل المحرك في مراحل التسارع أو السرعة الثابتة أو التباطؤ، كما قد يتغير الحمل أيضًا خلال هذه المراحل. وهذا يُلقي متطلباتٍ أعلى على وحدة التحكم.