الفرشاة مقابل المحركات بدون فرش: التشغيل والبناء والتطبيقات

أصبحت المحركات الكهربائية جزءًا كبيرًا من حياتنا. توجد في جميع أنواع الأجهزة من السيارات الكهربائية إلى الطائرات بدون طيار والروبوتات والأجهزة الإلكترونية الأخرى. بشكل عام ، المحرك الكهربائي هو جهاز يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية. يشار إليها عادةً على أنها عكس المولدات تمامًا لأنها تعمل وفقًا لمبادئ مماثلة ويمكن نظريًا تحويلها إلى مولدات. يتم استخدامها بشكل أساسي في المواقف التي تتطلب الحركة الدورانية ويجدون تطبيقات في الأجهزة (محركات الاهتزاز) والروبوتات والمعدات الطبية والألعاب وغير ذلك الكثير.

يمكن تصنيف المحركات الكهربائية إلى فئتين عريضتين بناءً على نوع مصدر الطاقة المستخدم لها: محركات التيار المتردد ومحركات التيار المستمر. كما يوحي الاسم ، يتم تشغيل محركات التيار المتردد بشكل عام باستخدام مصادر طاقة التيار المتردد (مرحلة واحدة أو ثلاث مراحل) وتستخدم في الغالب في التطبيقات الصناعية والتطبيقات الشاقة حيث يتطلب الكثير من عزم الدوران. من ناحية أخرى ، عادة ما تكون محركات التيار المستمر (التي هي محور تركيزنا) أصغر وتستخدم في البطاريات (أو موصولة بمصادر التيار المستمر) حيث تتطلب قدرًا أقل من العمل مقارنة بمحركات التيار المتردد. وجدوا تطبيقات في العديد من الأجهزة التي تتراوح من الأجهزة اليومية مثل مقصات الحلاقة إلى ألعاب الأطفال والروبوتات والطائرات بدون طيار وغيرها.

تختلف متطلبات محركات التيار المستمر من تطبيق إلى آخر ، حيث قد يتطلب أحد التطبيقات مزيدًا من عزم الدوران ويقلل السرعة بينما قد يتطلب الآخر مزيدًا من السرعة وعزم الدوران المنخفض ، وبالتالي يتم تصنيف محركات التيار المستمر أحيانًا من قبل موظفي المبيعات بناءً على ذلك. ومع ذلك ، يمكن تصنيف محركات التيار المستمر إلى ثلاث فئات أو أنواع مختلفة بما في ذلك ؛

1. نحى محرك DC
2. محركات DC بدون فرشات
3. أجهزة المحركات.

بالنسبة لمقال اليوم ، سيكون تركيزنا على محركات التيار المستمر بدون فرش ، حيث ندرس الفرق بينهما وفقًا لمبدأ العمليات ، والبناء ، والتطبيقات ، والمزايا والعيوب. بالنسبة للنوع الثالث ، يمكنك الاطلاع على المقالة التفصيلية لمحرك سيرفو.

مبدأ التشغيل والبناء

يعتمد تشغيل جميع المحركات بشكل عام على مبدأين ؛ قانون امبير وقانون فاراداي. و ينص القانون الأولى التي سوف موصل الكهربائية وضعها في مجال مغناطيسي تجربة القوة إن وجدت الحالية التي تتدفق من خلال موصل لديه عنصر في زوايا الحق في هذا المجال. و ينص المبدأ الثاني الذي إذا تم نقل موصل خلال مجال مغناطيسي، ثم أي عنصر من عناصر الحركة عمودي إلى هذا المجال سوف تولد فرق الجهد بين طرفي الموصل.

بناءً على هذه القوانين ، تتكون المحركات الكهربائية من جزأين رئيسيين ؛ جرح مغناطيس دائم ومجموعة من الموصلات في ملف. من خلال تطبيق الكهرباء على الملف يصبح مغناطيسًا وبناءً على حقيقة أن المغناطيس يتنافر عند أقطاب متشابهة ويجذب على عكس الأقطاب ، يتم تحقيق حركة دورانية.

نحى محرك DC

يُعرف محرك التيار المستمر المصقول بأنه أحد أقدم وأبسط المحركات لأنه يطبق القوانين الموضحة أعلاه بأبسط طريقة. كما هو موضح في الصورة أدناه ، يتكون محرك DC المصقول من الجزء الثابت المصنوع من مغناطيس دائم وحافظة متحركة (الدوار) حيث يتم وضع مكونات مثل المبدل والفرش والحلقة المنقسمة جميعها حول المحرك الفتحة.

عندما يتم توفير الطاقة للمحرك (من خلال بطارية أو من خلال تيار متردد إلى مصدر موصول بالتيار المستمر) ، تتدفق الكهرباء من المصدر إلى المحرك من خلال الفرش التي توجد عادة على جانبي عمود المحرك. تنقل الفرش (التي يعد وجودها في التصميم عاملاً رئيسياً وراء اسم المحرك) التيار الكهربائي إلى المحرك من خلال الاتصال المادي مع المبدل. بمجرد تنشيط المحرك (ملف السلك) ، يبدأ في التصرف مثل المغناطيس وعند هذه النقطة تبدأ أقطابها في صد أقطاب المغناطيس الدائم الذي يشكل الجزء الثابت. عندما تتنافر الأقطاب ، يبدأ عمود المحرك الذي يتصل به المحرك في الدوران بسرعة وعزم دوران يعتمدان على قوة المجال المغناطيسي حول المحرك.

عادة ما تكون قوة المجال المغناطيسي دالة للجهد المطبق على الفرشاة وقوة المغناطيس الدائم المستخدم للجزء الثابت.

محركات DC بدون فرشات

على الرغم من أنهم يستخدمون نفس مبدأ الكهرومغناطيسية ، إلا أن المحركات عديمة الفرشاة من ناحية أخرى أكثر تعقيدًا. إنها نتيجة مباشرة للجهود المبذولة لتحسين كفاءة محركات DC المصقولة ويمكن وصفها ببساطة بأنها محركات لا تتبنى استخدام الفرشاة للتبديل. ومع ذلك ، فإن الطبيعة المبسطة لهذا الوصف تفسح المجال للأسئلة حول كيفية تشغيل المحرك وكيف يتم تحقيق الحركة بدون فرش والتي سأحاول شرحها.

على عكس بناء المحركات المصقولة ، يتم قلب الأشياء في المحركات بدون فرش. المحرك الذي يدور في حالة المحرك المصقول داخل الجزء الثابت ، يكون ثابتًا في المحركات الخالية من الفرشاة والمغناطيس الدائم ، والذي يتم إصلاحه في المحركات المصقولة ، يعمل بمثابة الدوار في محرك بدون فرش. ببساطة ، يتكون الجزء الثابت لمحركات التيار المستمر التي لا تحتوي على فرش من ملفات بينما يتكون الجزء المتحرك (الذي يتصل به عمود المحرك) من مغناطيس دائم.

نظرًا لأن المحرك بدون فرش يلغي استخدام الفرشاة لتوفير الطاقة للمحرك ، يصبح التبديل (التبديل) أكثر تعقيدًا ويتم إجراؤه إلكترونيًا باستخدام مجموعة إضافية من المكونات الإلكترونية (مثل مكبر الصوت الذي يتم تشغيله بواسطة مكون تبديل مثل المشفر البصري) لتحقيق الحركة. يمكن تقسيم خوارزميات التبديل لمحركات DC بدون فرشات إلى قسمين ؛ التخفيف المعتمد على المستشعر والعقل.

في التبديل المستند إلى المستشعر ، يتم وضع المستشعرات (مثل مستشعر القاعة) على طول أقطاب المحرك لتوفير التغذية الراجعة لدائرة التحكم لمساعدتها على تقدير موضع الدوار. هناك ثلاث خوارزميات شائعة تستخدم للتبديل القائم على أجهزة الاستشعار ؛

1. تخفيف شبه منحرف
2. التخفيف الجيبي
3. ناقلات (أو مجال التحكم).

كل من خوارزمية التحكم هذه لها مزاياها وعيوبها ويمكن تنفيذ الخوارزميات بطرق مختلفة اعتمادًا على البرنامج وتصميم الأجهزة الإلكترونية لإجراء التغييرات اللازمة.

من ناحية أخرى ، في التبديل غير المستشعر ، بدلاً من وضع المستشعرات داخل المحركات ، تم تصميم دائرة التحكم لقياس EMF الخلفي لتقدير موضع الدوار.

تعمل هذه الخوارزمية بشكل جيد وبتكلفة مخفضة حيث يتم التخلص من تكلفة مستشعرات القاعة ولكن تنفيذها أكثر تعقيدًا مقارنة بالخوارزميات القائمة على المستشعر.

المزايا والعيوب

في محركات التيار المستمر المصقولة ، تكون الفرشاة على اتصال دائم بالمبدل الدوار. يؤدي هذا إلى توليد قدر كبير من الاحتكاك وهذا بدوره يؤدي إلى فقدان الطاقة للتسخين والتآكل التدريجي للفرشاة. وبالتالي ، فإن محركات التيار المستمر ذات الفرشاة منخفضة الكفاءة وتتطلب صيانة دورية. هذا يخلق الكثير من الاحتكاك ، والاحتكاك يساوي الحرارة (فقدان الطاقة) والبلى. من ناحية أخرى ، فإن DC بدون فرشات هي في الأساس عديمة الاحتكاك وبالتالي تتمتع بكفاءة عالية حقًا ، ولا تتطلب أي صيانة وتستمر لفترة أطول من محركات التيار المستمر المصقولة.

ومع ذلك ، فإن محركات التيار المستمر المصقولة رخيصة جدًا مقارنةً بنظيراتها الخالية من الفرش بسبب الطبيعة البسيطة لتصميمها. من ناحية أخرى ، تعد محركات التيار المستمر بدون فرش باهظة الثمن نظرًا لتصميمها المعقد والتكلفة الإضافية للمكونات الإلكترونية الإضافية (وحدات التحكم) المطلوبة لقيادتها.

التطبيقات

في حين أن محركات التيار المستمر بدون فرش أكثر شيوعًا هذه الأيام ، لا تزال محركات التيار المستمر المصقولة تستخدم في الأجهزة المنزلية اليومية ، ولعب الأطفال ، وفي التطبيقات الصناعية نظرًا للسهولة التي يمكن من خلالها تغيير نسبة السرعة إلى نسبة عزم الدوران. نظرًا لتكلفتها المنخفضة ، يتم استخدامها في التطبيقات التي قد يفشل فيها الجهاز المضيف قبل المحركات.

من ناحية أخرى ، وجدت محركات التيار المستمر الخالية من الفرشاة تطبيقات في جميع أنواع الأجهزة ، من المعدات الطبية والروبوتات والطائرات بدون طيار إلى السيارات الكهربائية والأدوات الكهربائية وما إلى ذلك ، فهي تُستخدم أساسًا في التطبيقات التي تتطلب كفاءة عالية وطول العمر وتستحق التكلفة.

العوامل التي يجب مراعاتها عند الاختيار بين محركات التيار المستمر بدون فرش

إلى جانب السرعة وعزم الدوران وتقييم الطاقة والمتطلبات الأساسية الأخرى للتطبيق الخاص بك ، هناك ثلاثة عوامل أشعر أنها قد تكون جيدة أيضًا في الاعتبار عند اتخاذ قرار بشأن نوع المحرك الذي سيتم نشره لتطبيقك.

1. دورة العمل / عمر الخدمة
2. كفاءة
3. التحكم / التشغيل
4. كلفة

دورة العمل / عمر الخدمة

يصف عمر الخدمة المدة المطلوبة لتشغيل المحرك قبل الفشل وفي أي دورة تشغيل. هذا مهم لأن محرك التيار المستمر المصقول كما ذكرنا سابقًا عرضة للتآكل بسبب الاحتكاك بين الفرشاة والمبدل. وبالتالي ، من المهم التأكد من أن التطبيق هو التطبيق الذي سيعمل فيه المحرك طوال فترة الخدمة أو تطبيق تعتبر فيه خدمة المحرك عادية وغير مكلفة إذا كان سيتم استخدام محركات DC المصقولة. وخير مثال على ذلك هو في ألعاب الأطفال ، حيث يتم عادةً التخلص من الألعاب أو إتلافها قبل أن يتلف المحرك. في التطبيقات ذات العمر التشغيلي الطويل وخدمة المحرك ليست خيارًا قابلاً للتطبيق ، فعادة ما تكون محركات التيار المستمر بدون فرش هي الخيار الحكيم.

كفاءة

بشكل عام ، تتمتع محركات DC بدون فرشات بكفاءة إجمالية أعلى مقارنة بمحركات DC المصقولة ، ولكن كانت هناك حالات لمحركات مصقولة ذات قلب أقل من الحديد بكفاءة عالية مقارنة بالمحركات التي لا تحتوي على فرش. ومع ذلك ، من المهم تقييم الكفاءة الإجمالية المطلوبة ومقارنتها بكفاءة كل محرك قبل اتخاذ القرار. في معظم الحالات التي تكون فيها الكفاءة هي العامل الحاسم ، عادةً ما تفوز محركات التيار المستمر بدون فرش.

التحكم / التشغيل

عادة ما تكون هذه إحدى النكسات الرئيسية عندما يتعلق الأمر باستخدام محركات التيار المستمر بدون فرش. المتطلبات الإضافية مثل وحدات التحكم وما إلى ذلك ، تجعل التشغيل أكثر تعقيدًا مقارنةً بمحركات التيار المستمر المصقولة والتي يمكن تشغيلها / تشغيلها بطرق تافهة مثل توصيل البطارية عبر أطرافها. يجب عليك التأكد من أن مقدار التعقيد الذي ينطوي عليه استخدام محرك DC بدون فرش للمشروع له ما يبرره وأن الإلكترونيات الداعمة مثل وحدات التحكم متاحة بسهولة. بغض النظر عن بساطة محركات التيار المستمر المصقولة ، فإنها في بعض الأحيان غير مناسبة للتطبيقات عالية الدقة. بينما يمكن توصيل محرك DC المصقول بسهولة بوحدة التحكم مثل Arduino ، إلا أنه من الصعب جدًا توصيل BLDC بـ Arduino Uno ، ولكن ESC (وحدة التحكم في السرعة الإلكترونية) يجعل من السهل ربط BLDC بوحدة تحكم دقيقة.

كلفة

إن تعقيد تصميم محركات التيار المستمر بدون فرش يجعلها باهظة الثمن حقًا عند مقارنتها بمحركات التيار المستمر المصقولة. تأكد من أن التكاليف الإضافية ضمن الحدود المعقولة للمشروع قبل الذهاب إلى محركات DC بدون فرش. ضع في اعتبارك أيضًا تكلفة الملحقات الأخرى المطلوبة لاستخدام BLDCs قبل اتخاذ القرار.