أصبحت محركات التيار المستمر بدون فرش (BLDC) جزءًا لا يتجزأ من تطبيقات مختلفة نظرًا لكفاءتها العالية وموثوقيتها وعمرها التشغيلي الطويل. نظرًا لأن محركات التيار المستمر بدون فرش تستخدم التبديل الإلكتروني بدلاً من الفرش المادية، فإنها تتعرض لتآكل أقل من نظيراتها ذات الفرش.
إن أحد الجوانب الرئيسية لمحركات BLDC هو سرعتها، وهو أمر ضروري لتطبيقات مثل الطائرات بدون طيار، والأتمتة الصناعية، والمركبات الكهربائية.
تصميم المحرك وتكوينه
ترتبط سرعة محرك BLDC بشكل أساسي بتصميمه. تؤثر العديد من عناصر التصميم، مثل عدد الأقطاب، وتخطيط اللف، وبنية الدوار، بشكل مباشر على سرعته.
عدد الاقطاب
تتأثر سرعة دوران المحرك بعدد أقطابه. بشكل عام، تعمل المحركات ذات الأقطاب الأقل بسرعات أعلى، بينما توفر المحركات ذات الأقطاب الأكثر عزم دوران أعلى بسرعات أقل.
| عدد الاقطاب | السرعة (دورة في الدقيقة) | عزم الدوران (نيوتن متر) |
| 2 | 10,000 | 0.5 |
| 4 | 5,000 | 1.0 |
| 6 | 3,000 | 1.5 |
| 8 | 2,000 | 2.0 |
كما هو موضح في الجدول، يمكن للمحرك الذي يحتوي على عدد أقل من الأقطاب تحقيق سرعة دوران أعلى (RPM)، ولكن يزداد عزم الدوران مع زيادة عدد الأقطاب.
تكوين اللف
يحدد ترتيب اللف أيضًا سرعة المحرك. عادةً ما يكون هناك تكوينان لللف في محركات BLDC: Star (Y) وDelta (Δ).
- يوفر تكوين النجمة (Y) عزم دوران أعلى ولكنه يعمل بسرعات أقل.
- من ناحية أخرى، يسمح تكوين دلتا (Δ) بالوصول إلى سرعة أعلى ولكنه يوفر عزم دوران أقل.
| تكوين اللف | السرعة (RPM) | العزم (Nm) |
| نجمي (Y) | 3,000 | 1.5 |
| دلتا (Δ) | 4,500 | 1.0 |
يتيح تكوين دلتا للمحرك العمل بسرعة أعلى ولكنه يضحي ببعض عزم الدوران.
جهد الإمداد
أحد أهم العوامل التي تؤثر على سرعة محرك BLDC هو جهد الإمداد. تنص معادلة السرعة الأساسية على أن جهد الإمداد وسرعة المحرك متناسبان.
السرعة (دورة في الدقيقة) ∝ الجهد (فولت)
إن زيادة جهد الإمداد من شأنه أن يزيد من سرعة المحرك، على افتراض ثبات جميع الظروف الأخرى. ولكن هناك قيود على هذا، حيث قد يؤدي الجهد العالي إلى تلف المحرك أو ارتفاع درجة حرارته.
| الجهد (فولت) | السرعة (دورة في الدقيقة) | الحالي (أ) |
| 12 | 3,000 | 2.5 |
| 24 | 6,000 | 3.0 |
| 36 | 9,000 | 3.5 |
| 48 | 12,000 | 4.0 |
كما هو موضح في الجدول، فإن مضاعفة الجهد تؤدي إلى مضاعفة السرعة تقريبًا، مما يجعل الجهد عامل تحكم مباشر لسرعة المحرك.
إعدادات وحدة التحكم والتحكم الإلكتروني في السرعة (ESC)
تتطلب محركات BLDC وحدة تحكم إلكترونية خارجية للسرعة (ESC) للتبديل وتنظيم السرعة. يتم التحكم في جهد المحرك والتيار بواسطة وحدة التحكم الإلكترونية، والتي تعدل أيضًا سرعة المحرك. يمكن لعدة معلمات داخل وحدة التحكم الإلكترونية أن تؤثر على سرعة المحرك:
- دورة العمل: تقوم وحدة التحكم الإلكترونية في السرعة بتعديل جهد الإمداد من خلال تعديل عرض النبضة (PWM)، وتحدد دورة العمل مقدار الوقت الذي يتم فيه تطبيق الجهد داخل كل دورة.
- تردد PWM: تؤدي إشارات PWM ذات التردد الأعلى إلى التحكم في السرعة بشكل أكثر سلاسة وسرعات محرك أكثر فعالية.
| دورة العمل (%) | الجهد الفعال (فولت) | السرعة (دورة في الدقيقة) |
| 25 | 12 | 3,000 |
| 50 | 24 | 6,000 |
| 75 | 36 | 9,000 |
| 100 | 48 | 12,000 |
مع زيادة دورة العمل، يرتفع الجهد الفعال المطبق على المحرك، مما يؤدي إلى زيادة سرعة المحرك.
متطلبات الحمل وعزم الدوران
هناك عامل حاسم آخر يؤثر على سرعة محرك BLDC وهو الحمل الذي يقوده. العلاقة بين السرعة والحمل تتناسب عكسيا: فكلما زاد الحمل، قلت السرعة.
منحنى السرعة وعزم الدوران
في محركات BLDC، يوضح منحنى السرعة وعزم الدوران العلاقة بين هذين المتغيرين. تنخفض سرعة المحرك مع ارتفاع الحمل (عزم الدوران). والسبب في ذلك هو المقاومة الداخلية للمحرك والقوة الدافعة الكهربائية العكسية (EMF) التي ينتجها الدوار.
| عزم الدوران (نيوتن متر) | السرعة (دورة في الدقيقة) |
| 0.5 | 10,000 |
| 1.0 | 8,000 |
| 1.5 | 6,000 |
| 2.0 | 4,000 |
| 2.5 | 2,000 |
تظهر البيانات بوضوح أنه مع زيادة عزم الدوران، تقل سرعة المحرك بشكل متناسب. في التطبيقات الواقعية، من المهم إيجاد توازن بين متطلبات السرعة وعزم الدوران بناءً على ظروف الحمل.
درجة الحرارة
يمكن أن تؤثر درجة حرارة تشغيل محرك BLDC أيضًا على سرعته. تصبح المحركات أقل كفاءة عند درجات الحرارة المرتفعة بسبب زيادة المقاومة في اللفات والمكونات الأخرى، مما قد يقلل من السرعة.
العلاقة بين درجة الحرارة والسرعة
مع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد مقاومة الملفات، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد الذي يحد من السرعة المتاحة.
| درجة الحرارة (درجة مئوية) | السرعة (دورة في الدقيقة) | الحالي (أ) |
| 25 | 10,000 | 4.0 |
| 50 | 9,000 | 4.2 |
| 75 | 8,000 | 4.5 |
| 100 | 6,000 | 4.8 |
يوضح الجدول كيف يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تقليل سرعة المحرك تدريجيًا. من الضروري الحفاظ على أنظمة التبريد المناسبة أو تجنب التحميل الزائد للمحرك لضمان أقصى سرعة وكفاءة.
عودة EMF
القوة الدافعة الكهربائية الخلفية (القوة الدافعة الكهربائية الخلفية) هي الجهد المتولد داخل المحرك أثناء دورانه. يتم تحديد حجم هذه القوة الدافعة الكهربائية، والتي تكون في مقابل جهد الإمداد، من خلال سرعة المحرك. كلما زادت سرعة دوران المحرك، زادت القوة الدافعة الكهربائية الخلفية، مما يقلل من الجهد الفعال المتاح لتشغيل المحرك.
يمثل ثابت القوة الدافعة الكهربائية الخلفية، KeK_eKe، الجهد الناتج لكل وحدة سرعة، معبرًا عنه بوحدة V/rpm. معادلة القوة الدافعة الكهربائية الخلفية هي:
Vemf=Ke×السرعة (دورة في الدقيقة)
بالنسبة للتطبيقات عالية السرعة، يجب تقليل EMF الخلفي لتجنب فقدان الجهد المفرط، ويفضل استخدام المحركات ذات ثوابت EMF الخلفية المنخفضة.
القيود الميكانيكية
أخيرًا، يمكن للعوامل الميكانيكية مثل الاحتكاك وحالة المحمل وجمود النظام الكلي أن تؤثر أيضًا على سرعة المحرك. تسمح المحامل المشحمة جيدًا والبيئات منخفضة الاحتكاك للمحرك بالحفاظ على سرعات أعلى تحت الحمل. وعلى العكس من ذلك، يمكن للمحامل المهترئة أو البيئات عالية الاحتكاك أن تقلل بشكل كبير من سرعة المحرك.
خاتمة
تعتمد سرعة محرك التيار المستمر بلا فرشاة على عوامل مختلفة، بما في ذلك تصميم المحرك، وجهد الإمداد، والحمل، ودرجة الحرارة، وخصائص وحدة التحكم. وباعتبارنا شركة مصنعة لمحركات التيار المستمر بلا فرشاة، يمكن للمستخدمين تنظيم وتحسين أداء المحرك بكفاءة لتطبيقات معينة من خلال إدراك هذه التبعيات.