هيكل محرك التيار المستمر بدون فرشاة
الدوار
- المغناطيسات الدائمة: يحتوي دوار محرك BLDC على مغناطيسات دائمة، مصنوعة عادةً من مواد أرضية نادرة مثل النيوديميوم، مرتبة حول محيطه.
- أقطاب المغناطيس: يمكن أن يحتوي الدوار على أقطاب متعددة (على سبيل المثال، قطبين، أربعة أقطاب)، والتي تؤثر على خصائص عزم الدوران والسرعة للمحرك.
- الموضع (المحرك الخارجي مقابل المحرك الداخلي): في محرك Outrunner، يحيط الدوار بالجزء الثابت، مما يوفر عزم دوران أكبر. في محرك Inrunner، يكون الدوار داخل الجزء الثابت، مما يؤدي عمومًا إلى سرعات أعلى.
الجزء الثابت
- الملفات الملفوفة: يتكون الجزء الثابت من لفات مصنوعة من أسلاك نحاسية، تشكل سلسلة من المغناطيسات الكهربائية. توضع هذه الملفات في تكوين معين لإنتاج المجال المغناطيسي الذي يتفاعل مع الدوار.
- عدد المراحل: تحتوي معظم محركات التيار المستمر بلا ضوضاء على جزء ثابت ثلاثي المراحل (ثلاث مجموعات من الملفات)، ولكن يمكن أن تحتوي أيضًا على المزيد من المراحل حسب التطبيق.
- مادة القلب: لتقليل خسائر التيار الدوامي وتعزيز الكفاءة، غالبًا ما تتكون نوى الجزء الثابت من الفولاذ الرقائقي.
- الفتحات والأسنان: يحتوي الجزء الثابت على فتحات توضع فيها الملفات وأسنان للمساعدة في توجيه المجال المغناطيسي الناتج عن الملفات.
وحدة التحكم الإلكترونية في السرعة (ESC)
- وحدة التحكم: وحدة التحكم الإلكترونية هي جهاز خارجي (ولكنها جزء لا يتجزأ من تشغيل المحرك) يتحكم في التيار المتدفق عبر ملفات الجزء الثابت. وهي تؤدي دور التبديل عن طريق تبديل المراحل إلكترونيًا للحفاظ على دوران المحرك.
تعديل عرض النبضة (PWM): تعدل وحدة التحكم الإلكترونية دورة عمل إشارة تعديل عرض النبضة المرسلة إلى المحرك من أجل تعديل سرعته.
المحامل
- يدعم الدوار: توجد المحامل في كلا طرفي المحرك لدعم عمود الدوار والسماح بالدوران السلس. تعد المحامل عالية الجودة ضرورية لتقليل الاحتكاك وإطالة عمر المحرك.
- التزييت: يساعد التزييت المناسب للمحامل في التشغيل السلس ويقلل من التآكل والتلف.
الإسكان/الإطار
- يغلف ويحمي المكونات: يحمل غلاف المحرك أو إطاره الجزء الثابت والدوار في مكانهما ويحمي المكونات الداخلية من الغبار والحطام والظروف البيئية.
- التبريد: تم تصميم بعض الأغلفة لتحسين التبريد، إما بشكل سلبي من خلال فتحات التهوية أو باستخدام مراوح مدمجة.
أجراس النهاية (أغطية النهاية)
- الدعم الهيكلي: يتم تثبيت الأجراس الطرفية على طرفي المحرك لتثبيت المحامل وتوفير الدعم الهيكلي. كما أنها تساعد في حماية الأجزاء الداخلية للمحرك.
مبدأ عمل محرك التيار المستمر بدون فرشاة
يختلف مبدأ عمل محرك التيار المستمر بدون فرشاة عن مبدأ عمل محرك التيار المستمر التقليدي. فهو يحقق الدفع بدون فرشاة من خلال التبديل الإلكتروني، وبالتالي التخلص من الفرش الكربونية والمبدل في محرك التيار المستمر التقليدي.
فيما يلي شرح مفصل لمبدأ عمل محرك التيار المستمر بدون فرشاة:
- هيكل المحرك: يتكون محرك التيار المستمر بدون فرشاة بشكل أساسي من الجزء الثابت والدوار ومستشعر الموضع. الجزء الثابت من المحرك هو الجزء الثابت، والذي يتكون غالبًا من العديد من اللفات. غالبًا ما يكون دوار المحرك، الذي يدور، مصنوعًا من مادة مغناطيسية دائمة.
- التبديل الإلكتروني: في محرك التيار المستمر بدون فرشاة، يحل المبدل الإلكتروني محل المبدل الميكانيكي التقليدي. يتحكم المبدل الإلكتروني في اتجاه التيار في لفائف المحرك من خلال دائرة تحكم، وبالتالي تحقيق الدوران المستمر للمحرك.
- مستشعر الموضع: يتم التحكم في موضع الدوار بواسطة المبدل الإلكتروني، والذي يعدل أيضًا اتجاه التيار عند الضرورة. يجمع مستشعر الموضع هذه المعلومات. تشمل مستشعرات الموضع الشائعة مستشعرات هول والمستشعرات الضوئية والمستشعرات المغناطيسية الكهربائية.
- استراتيجية التحكم: تعتمد استراتيجية التحكم في محركات التيار المستمر بدون فرشاة عادةً على التحكم المتجه أو التحكم شبه المنحرف. يحقق التحكم المتجهي التحكم الدقيق في المحرك من خلال التحكم في سعة وطور التيار، بينما يحقق التحكم شبه المنحرف التحكم الأساسي في المحرك من خلال التحكم في تبديل التيار.
- الكفاءة والأداء: نظرًا للتخلص من الفرش الكربونية والمبدلات، فإن محركات التيار المستمر بدون فرش أكثر كفاءة، وتعمل بسلاسة أكبر، ولديها ضوضاء أقل، وتكاليف صيانة أقل.
مخطط تشغيل محرك التيار المستمر بدون فرشاة
أنواع محركات التيار المستمر عديمة الفرشاة
محرك الدوار الخارجي:
يوجد الجزء الثابت داخل المحرك، ولكن الجزء الدوار الذي يحتوي على المغناطيسات يقع خارجه. وبسبب تصميمه، يمكن زيادة عزم الدوران عند السرعات المنخفضة باستخدام قطر دوار أكبر.
تنتج هذه المحركات عمومًا عزم دوران أعلى بسبب قطر دوارها الأكبر، مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب عزم دوران كبير عند السرعات المنخفضة، مثل الطائرات بدون طيار، والدراجات الكهربائية، والطائرات النموذجية.
محركات Inrunner BLDC:
يحيط الجزء الثابت بالدوار، والذي يوجد داخل غلاف المحرك. هذا التصميم أكثر إحكاما وعادة ما يؤدي إلى سرعات أعلى مع عزم دوران أقل.
تشتهر محركات Inrunner بعدد دورات في الدقيقة (RPM) أعلى وهي أكثر ملاءمة للتطبيقات التي تكون فيها السرعة العالية ضرورية، مثل السيارات التي يتم التحكم فيها عن بعد أو المحركات الكهربائية الصغيرة.
الجدول المقارن التالي:
| الميزة | محرك BLDC | محرك PMSM |
| الكفاءة | عالية ولكن أقل من PMSM عند السرعات المتغيرة | عالية جدًا، خاصة عند السرعات المتغيرة |
| التحكم | تحكم شبه منحرف بسيط، سهل التنفيذ | تحكم جيبي معقد، تشغيل سلس |
| تموج العزم | متوسط، مع اختلافات في العزم | منخفض جدًا، مع عزم ثابت |
| التطبيقات | الإلكترونيات الاستهلاكية، مراوح التبريد، الأدوات الكهربائية | الآلات الدقيقة، المركبات الكهربائية، الأتمتة الصناعية |
| التكلفة | تكلفة أولية منخفضة، تحكم أبسط | تكلفة أعلى، كفاءة أفضل على المدى الطويل |
وضع تشغيل محرك التيار المستمر بدون فرشاة
التبديل بست خطوات (الدفع شبه المنحرف)
هذا هو وضع التشغيل الأكثر شيوعًا لمحركات BLDC، حيث يتم تشغيل المحرك بواسطة إشارات جهد ثلاثية الطور يتم تطبيقها على ملفات المحرك في تسلسل من ست خطوات.
- التشغيل: في هذا الوضع، يتم تنشيط مرحلتين في وقت واحد، ويحدث التبديل كل 60 درجة كهربائية. وهذا يخلق شكل موجة EMF خلفية شبه منحرفة.
- المزايا: سهل التنفيذ، وفعال من حيث التكلفة، ويستخدم على نطاق واسع في العديد من التطبيقات.
- العيوب: يولد تموج عزم الدوران، مما قد يؤدي إلى الضوضاء والاهتزاز، وتشغيل أقل سلاسة مقارنة بالدفع الجيبي.
محرك جيبي
في هذا الوضع، يتم تشغيل المحرك باستخدام أشكال موجية جهد جيبية بدلاً من أشكال الموجة شبه المنحرفة المستخدمة في التبديل ذي الست خطوات.
- التشغيل: يعمل المحرك الجيبي على إنشاء انتقال أكثر سلاسة بين خطوات التبديل، مما يؤدي إلى إخراج عزم دوران أكثر استمرارية وسلاسة.
- المزايا: ينتج تشغيلًا أكثر سلاسة مع تموج عزم دوران أقل وضوضاء أقل واهتزاز أقل.
- العيوب: أكثر تعقيدًا وتكلفة في التنفيذ بسبب الحاجة إلى خوارزميات تحكم دقيقة وردود فعل عالية الدقة.
التحكم الموجه نحو الميدان (FOC)
تُعرف FOC أيضًا باسم التحكم في المتجهات، وهي تقنية تحكم متقدمة تعمل على تحسين كفاءة وأداء محرك BLDC من خلال التحكم في تيارات المحرك في إطار مرجعي دوار.
- التشغيل: ينظم FOC التيار في اتجاهين عموديين (المحور d والمحور q)، مما يعمل على محاذاة المجال المغناطيسي للمحرك مع موضع الدوار لتحقيق أقصى قدر من عزم الدوران والكفاءة.
- المزايا: تحكم دقيق وعالي الكفاءة في عزم الدوران والسرعة، مثالي للتطبيقات التي تتطلب أداءً سلسًا ودقيقًا.
- العيوب: يتطلب خوارزميات معقدة وأجهزة متطورة، مما يجعله أكثر تكلفة وصعوبة في التنفيذ.
التحكم المباشر في عزم الدوران (DTC)
DTC هي طريقة تتحكم بشكل مباشر في عزم دوران المحرك والتدفق المغناطيسي دون الحاجة إلى تحويل إحداثيات، وغالبًا ما تستخدم في محركات التيار المتردد ولكن يمكن أيضًا تطبيقها على محركات BLDC.
- التشغيل: يستخدم DTC مقدر عزم الدوران والتدفق ويطبق متجهات الجهد على المحرك للتحكم المباشر في عزم الدوران والتدفق.
- المزايا: استجابة ديناميكية سريعة، ولا تتطلب معلومات دقيقة عن موضع الدوار.
- العيوب: يمكن أن يكون أكثر تعقيدًا وقد يؤدي إلى تموج عزم الدوران أعلى مقارنةً بـ FOC.
التحكم في الوضع الحالي
يركز هذا الوضع على تنظيم التيار عبر لفائف المحرك بدلاً من التحكم المباشر في الجهد.
- التشغيل: للحصول على السرعة أو عزم الدوران المطلوب، يقوم متحكم المحرك بتعديل التيار المرسل إلى لفائف المحرك، غالبًا باستخدام حلقات التغذية الراجعة.
- المزايا: يوفر تحكمًا دقيقًا في عزم دوران المحرك، وهو أمر جيد للتطبيقات التي تتطلب خرج عزم دوران مستقر.
- العيوب: يتطلب نظام تحكم أكثر تعقيدًا، وإمكانية الحصول على أوقات استجابة أبطأ مقارنة بالتحكم المباشر في الجهد.
التحكم بدون أجهزة استشعار
في التحكم بدون مستشعر، يتم تقدير موضع الدوار باستخدام EMF الخلفي الذي يولده المحرك نفسه، مما يلغي الحاجة إلى أجهزة استشعار مادية.
- التشغيل: يقوم المتحكم بتقدير موضع الدوار بناءً على نقاط التقاطع الصفرية للقوة الدافعة الكهربائية الخلفية، والتي تُستخدم لتحديد تسلسل التبديل المناسب.
- المزايا: يقلل من التكلفة والتعقيد المرتبطين بالمستشعرات، ويحسن الموثوقية من خلال التخلص من نقاط فشل المستشعر.
- العيوب: قد يكون أقل دقة، وخاصة عند السرعات المنخفضة حيث تكون القوة الدافعة الكهربائية الخلفية ضعيفة، مما يؤدي إلى تحكم أقل دقة.
التحكم بالاستشعار
يوفر التحكم المستشعر ردود فعل في الوقت الفعلي على موضع الدوار باستخدام مستشعرات تأثير هول أو مستشعرات موضع أخرى.
- التشغيل: توفر المستشعرات بيانات دقيقة عن موضع الدوار إلى وحدة التحكم، والتي تقوم بعد ذلك بضبط تسلسل التبديل والتوقيت وفقًا لذلك.
- المزايا: توفر تحكمًا دقيقًا في تشغيل المحرك، وأداءً ممتازًا عند السرعات المنخفضة وأثناء بدء التشغيل، وهي جيدة للتطبيقات التي تتطلب عزم دوران مرتفعًا عند السرعات المنخفضة.
- العيوب: تزيد من تكلفة وتعقيد نظام المحرك، ومشاكل موثوقية محتملة بسبب فشل المستشعر.
اعتبارات اختيار محرك التيار المستمر بدون فرشاة
عند اختيار محرك تيار مستمر بدون فرشاة (BLDC)، يجب أخذ العديد من الاعتبارات الرئيسية في الاعتبار لضمان أن المحرك يلبي متطلبات تطبيقك المحدد.
قوة محرك BLDC
القدرة (P) = الجهد (فولت) × التيار (I) × الكفاءة (%) × معامل القدرة (PF)
الاعتبار: تحديد الحد الأقصى للقدرة المطلوبة لتطبيقك، مقاسة بالواط (W).
نصيحة الاختيار: اختر محركًا يمكنه توفير طاقة كافية لتلبية متطلبات الحمل الأقصى. تأكد من أن تصنيف الطاقة المستمرة للمحرك أعلى من الحمل النموذجي وأن تصنيف الطاقة القصوى يمكنه التعامل مع فترات قصيرة من الطلب الأعلى.
سرعة محرك BLDC
السرعة (دورة في الدقيقة) = (الجهد (فولت) × كيلوفولت) / ن
- الاعتبار: حدد السرعة القصوى (بالدورات في الدقيقة، RPM) المطلوبة لتطبيقك.
- نصيحة الاختيار: حدد محركًا يمكنه تحقيق السرعة القصوى المطلوبة. تأكد من أن نطاق سرعة المحرك يتوافق مع متطلبات تطبيقك، مع مراعاة أي تخفيض في التروس إذا لزم الأمر.
جهد محرك BLDC
V=Kv⋅RPM
- الاعتبار: حدد جهد التشغيل الذي سيتم استخدامه لتشغيل المحرك.
- نصيحة الاختيار: حدد محركًا يمكنه العمل بسلاسة عند الجهد المحدد. تأكد من أن الجهد والتيار المطلوبين للمحرك متوافقان مع نظامك وأن مصدر الطاقة الخاص بك قادر على توفيرهما.
حجم محرك BLDC
- الاعتبارات: قم بتقييم القيود المادية المتعلقة بالحجم، بما في ذلك قطر المحرك وطوله وقطر العمود.
نصيحة الاختيار: اختر محركًا لتطبيقك بناءً على مقدار المساحة التي سيشغلها. ضع في اعتبارك تكوين تركيب المحرك وتأكد من أن قطر العمود متوافق مع الإعداد الميكانيكي الخاص بك، مثل وصلات التوصيل أو التروس.
أجهزة استشعار القاعة: مع أو بدون
الاعتبار: قرر ما إذا كان المحرك يحتاج إلى مستشعرات هول أم لا.
نصيحة الاختيار:
- مع مستشعرات هول: اختر محرك BLDC مزود بمستشعرات إذا كان التحكم الدقيق عند السرعات المنخفضة أو بدء التشغيل السلس أو تحديد المواقع بدقة أمرًا بالغ الأهمية لتطبيقك. توفر مستشعرات هول ملاحظات في الوقت الفعلي حول موضع الدوار، مما يحسن التحكم.
- بدون مستشعرات هول: اختر محرك BLDC بدون مستشعرات إذا كنت بحاجة إلى تصميم أبسط وأكثر قوة حيث يكون التحكم الدقيق عند السرعات المنخفضة أقل أهمية. تكون المحركات بدون مستشعرات أقل تكلفة عادةً وتحتوي على مكونات أقل.
خاتمة
بالنسبة للعديد من التطبيقات المختلفة، يعد محرك التيار المستمر بدون فرشاة هو الخيار الأفضل نظرًا لكفاءته العالية وموثوقيته وتحكمه الدقيق. بالنسبة لمصنع محرك التيار المستمر بدون فرشاة، فإن افتقاره إلى الفرش يقلل من الصيانة، كما يوفر تصميمه المدمج أداءً قويًا. يعد فهم مكوناته وتشغيله وفوائده أمرًا أساسيًا لتحسين استخدامه في الحلول الهندسية الحديثة.