عند التفكير في المحرك الأمثل لمشروعك، فإن الاختيار بين محرك تيار مستمر بفرشاة ومحرك تيار مستمر بدون فرشاة (BLDC) يمكن أن يكون له آثار كبيرة على الأداء والتكلفة وطول العمر. يتمتع كلا النوعين من المحركات بمزايا وعيوب محددة، وفهم الاختلافات الرئيسية بينهما أمر بالغ الأهمية لاختيار الخيار الأنسب.

تتعمق هذه المقالة في التمييزات الرئيسية بين محركات التيار المستمر ذات الفرشاة وغير الفرشاة، مع التركيز على التصميم والكفاءة والصيانة والتكلفة ومجالات التطبيق، وتقدم مقارنات مدعومة بالبيانات.

محركات التيار المستمر ذات الفرشاة

يشكل قانون أمبير وقانون الحث الكهرومغناطيسي الأساس لعمل محرك التيار المستمر بالفرشاة. يحتوي المحرك على مكونات مثل الجزء الثابت والدوار والفرش والمبدل. عندما يزود مصدر الطاقة المستمر المحرك بالطاقة من خلال الفرش، يولد الجزء الثابت مجالًا مغناطيسيًا ثابتًا، بينما يتصل الجزء الدوار بمصدر الطاقة من خلال الفرش والمبدل لتشكيل مجال مغناطيسي دوار.

يدور المحرك نتيجة لعزم الدوران الكهرومغناطيسي الناتج عن التفاعل بين هذا المجال المغناطيسي الدوار والمجال المغناطيسي للجزء الثابت. أثناء تشغيل المحرك، تنزلق الفرش على المبدل لتحقيق تبديل التيار والحفاظ على دوران المحرك بشكل مستمر.

الخصائص الرئيسية:

• الفرش: تحتوي المحركات ذات الفرش على فرش مادية تلامس المبدل، مما يؤدي إلى إنشاء مسارات كهربائية.
• المبدل: هو مفتاح ميكانيكي يقلب اتجاه التيار في لفائف المحرك.
• وضع اللفات: توجد اللفات على الدوار.
• وضع المغناطيس: توضع المغناطيسات الدائمة حول الجزء الثابت.

محركات التيار المستمر بدون فرشاة (BLDC)

يُطلق على المحرك المتزامن الذي يعمل بشكل مختلف عن محرك التيار المستمر ذي الفرشاة اسم محرك التيار المستمر عديم الفرشاة. يحتوي دوار محرك التيار المستمر عديم الفرشاة على مغناطيسات دائمة، بينما يحتوي الجزء الثابت على لفات. يولد المتحكم مجالًا مغناطيسيًا دوارًا عن طريق تطبيق شكل موجة تيار معين على لفات الجزء الثابت. يدور المحرك نتيجة لعزم الدوران الكهرومغناطيسي الناتج عن التفاعل بين هذا المجال المغناطيسي الدوار والمجال المغناطيسي الناتج عن المغناطيسات الدائمة للدوار.

أثناء تشغيل المحرك، يقوم المتحكم باكتشاف معلومات موضع الدوار وضبط شكل الموجة الحالية في ملفات الجزء الثابت لتحقيق التحكم الدقيق في المحرك.

الخصائص الرئيسية:

• التبديل الإلكتروني: بدلاً من استخدام الفرش الميكانيكية لتغيير التيار، تستخدم محركات التيار المستمر بلا تيار وحدات تحكم إلكترونية.
• PM على الدوار: يتكون الدوار من مغناطيسات دائمة، بينما تقوم لفائف الجزء الثابت بنفس الشيء.
• أجهزة استشعار التغذية الراجعة: تُستخدم أجهزة استشعار مثل أجهزة استشعار تأثير هول لتحديد موضع الدوار والتحكم في التبديل.

الاختلافات الرئيسية بين محركات التيار المستمر ذات الفرشاة وغير الفرشاة

تصميم

يمكن العثور على أكبر الاختلافات في التصميم والبناء. تُستخدم الفرش والمبدل في عملية التبديل الميكانيكية للمحركات ذات الفرش. على النقيض من ذلك، توفر محركات BLDC التآكل الميكانيكي وتتخلص من الحاجة إلى الفرش من خلال التبديل عبر دائرة تحكم إلكترونية.

الميزة	محرك التيار المستمر ذو الفرشاة	محرك التيار المستمر بدون فرش (BLDC)
التقويم	ميكانيكي (فرشاة ومبدل)	إلكتروني (يتم التحكم به عبر دائرة)
الدوار	سلك نحاسي ملفوف	مغناطيسات دائمة
الجزء الثابت	مغناطيسات دائمة	لفائف نحاسية
التحكم	تحكم كهربائي بسيط	يتطلب وحدة تحكم إلكترونية

الكفاءة والأداء

غالبًا ما تكون كفاءة محركات BLDC أعلى من كفاءة نظيراتها ذات الفرشاة. من خلال القضاء على الخسائر الاحتكاكية وتحسين تبديد الحرارة، يؤدي إزالة الفرش إلى زيادة الكفاءة الإجمالية. تعمل المحركات ذات الفرشاة عادةً بكفاءة تتراوح بين 75% و80%، في حين يمكن أن تصل كفاءة محركات BLDC إلى 85% و90%.

من حيث الأداء، يمكن لمحركات BLDC تحقيق سرعات أعلى وعزم دوران أفضل لكل وزن وتحكم أكثر دقة بفضل التبديل الإلكتروني. بالإضافة إلى ذلك، تتيح القدرة على استشعار موضع الدوار التحكم السلس والدقيق في السرعة وعزم الدوران في محركات BLDC.

الميزة	محرك التيار المستمر ذو الفرشاة	محرك التيار المستمر بدون فرش (BLDC)
الكفاءة	75-80%	85-90%
السرعة القصوى (RPM)	5,000 – 10,000	10,000 – 100,000
نسبة العزم إلى الوزن	متوسطة	عالية
تبديد الحرارة	محدود بسبب توليد الحرارة الداخلي	جيد بسبب وجود اللفائف الخارجية

الصيانة وعمر الخدمة

تتعرض الفرش والمبدلات الفيزيائية في المحركات ذات الفرش للتآكل بمرور الوقت، مما يؤدي إلى تقصير عمرها الافتراضي وزيادة متطلبات الصيانة المتكررة. يعد استبدال الفرش بشكل منتظم أمرًا ضروريًا لضمان الأداء الأمثل.

على النقيض من ذلك، لا تعاني محركات BLDC من التآكل الميكانيكي لأنها لا تحتوي على فرش. وهذا يجعلها أكثر موثوقية بمرور الوقت ومناسبة للتطبيقات حيث يكون طول العمر والصيانة المنخفضة أمرًا بالغ الأهمية. يمكن لمحركات BLDC غالبًا أن تدوم لفترة أطول بكثير من المحركات ذات الفرش، وأحيانًا تصل إلى 10000-20000 ساعة من التشغيل المستمر.

الميزة	محرك التيار المستمر ذو الفرشاة	محرك التيار المستمر بدون فرش (BLDC)
الصيانة	عالية (يجب استبدال الفرشاة بانتظام)	منخفضة (لا توجد فرش، نقاط تآكل أقل)
العمر الافتراضي (ساعات)	1,000 – 3,000	10,000 – 20,000

الضوضاء

ضوضاء
تنتج محركات التيار المستمر ذات الفرشاة ضوضاء بسبب التفاعل الميكانيكي بين الفرش والمبدل. أثناء تشغيل المحرك، تحتك الفرش باستمرار بالمبدل، مما يؤدي إلى ضوضاء مسموعة. تزداد كمية الضوضاء مع سرعة المحرك وتآكل الفرش.

المصادر الرئيسية للضوضاء:

• احتكاك الفرشاة بالمبدل
• القوس الكهربائي عند الفرش
• الاهتزاز الناتج عن الأجزاء الميكانيكية

على النقيض من ذلك، فإن المصادر الأساسية للضوضاء في محركات BLDC ترتبط عادةً باحتكاك المحمل واهتزاز الدوار، ولكنها عادةً ما تكون أكثر هدوءًا من الضوضاء التي تولدها المحركات الفرشاة.

المصادر الرئيسية للضوضاء:

• احتكاك المحمل
• اختلال توازن الدوار (إذا لم يتم صيانته بشكل صحيح)
• اهتزاز بسيط بسبب القوى الكهرومغناطيسية

نوع المحرك	السرعة (دورة في الدقيقة)	مستوى الضوضاء (ديسيبل)
محرك تيار مستمر مصقول	1000	55
	3000	60
	5000	65
محرك تيار مستمر بدون فرشاة	1000	40
	3000	42
	5000	45

يكلف

تعتبر محركات التيار المستمر ذات الفرشاة أرخص في البداية نظرًا لتصميمها وآليات التحكم البسيطة فيها. ومع ذلك، قد ترتفع تكاليفها على المدى الطويل بسبب الحاجة إلى الصيانة المنتظمة واستبدال الأجزاء. تميل محركات التيار المستمر ذات الفرشاة، على الرغم من أنها أكثر تكلفة في التصنيع وتتطلب وحدة تحكم إلكترونية، إلى انخفاض تكاليف صيانتها بمرور الوقت.

الميزة	محرك التيار المستمر ذو الفرشاة	محرك التيار المستمر بدون فرش (BLDC)
التكلفة الأولية	10 – 50 دولار	50 – 150 دولار
التكلفة على المدى الطويل	أعلى (تضيف الصيانة تكاليف إضافية بمرور الوقت)	أقل (يتطلب صيانة minimal)

التطبيقات

تستخدم المحركات ذات الفرشاة في التطبيقات التي لا تتطلب أداءً عاليًا وتكون التكلفة عاملاً حاسمًا. وتشمل هذه التطبيقات الألعاب والأجهزة الصغيرة والآلات الصناعية الأساسية.

من ناحية أخرى، تُستخدم محركات BLDC غالبًا في التطبيقات عالية الأداء مثل الروبوتات والمركبات الكهربائية والطائرات بدون طيار والآلات الصناعية المتقدمة نظرًا لكفاءتها ودقتها وعمرها الافتراضي المتفوق.

ميزة	محرك تيار مستمر مصقول	محرك تيار مستمر بدون فرشاة (BLDC)
التطبيقات الشائعة	الألعاب، والآلات الأساسية، والمنتجات الاستهلاكية البسيطة	الطائرات بدون طيار والمركبات الكهربائية والروبوتات

خاتمة

عند الاختيار بين هذين النوعين من المحركات، من الضروري مراعاة متطلبات التطبيق – مثل السرعة المطلوبة والدقة وتحملات الصيانة.

بالنسبة للكفاءة العالية والأداء طويل الأمد، فإن محركات التيار المستمر ذات الفرشاة هي الخيار الأفضل عادةً. ومع ذلك، بالنسبة للتطبيقات منخفضة التكلفة حيث تكون البساطة والقدرة على تحمل التكاليف من الأولويات الأساسية، فقد توفر محركات التيار المستمر ذات الفرشاة حلاً أكثر ملاءمة.