محرك التيار المباشر بلا فرش

نبذه مختصرة:

أصبحت محركات التيار المباشر بدون فرشات أو (BLDC Motors)، مساهماً هاماً في تقنية القيادة الحديثة، وشهد اكتسابها السريع لشعبيتها مجموعة متزايدة من التطبيقات في مجالات الأجهزة الاستهلاكية وصناعة السيارات والأتمتة الصناعية والمواد الكيميائية والطبية والفضاء.

على الرغم من استخدامها لمحركات الأقراص وتوليد الطاقة لفترة طويلة، إلا أن نطاق الكيلوواط الفرعي، الذي سيطر عليه “المحرك الخالي من الفرش”، كان دائماً منطقة رمادية ومحايدة، لكن إلكترونيات الطاقة الحديثة وتكنولوجيا المعالجات الدقيقة سمحت لمحركات التيار المستمر الصغيرة التي لا تحتوي على الفرش بالازدهار، من حيث السعر والأداء.

ما هو محرك خالي الفرش (BLDC)؟

يشبه محرك التيار المباشر الذي بدون فرشات محرك التيار المباشر المصقول ولكن كما يوحي الاسم، لا يستخدم (BLDC) الفرش للتبديل بل يتم تبديلها إلكترونياً، في محركات التيار المستمر ذات الفرشاة التقليدية، تُستخدم الفرش لنقل الطاقة إلى الدوار أثناء دورانها في مجال مغناطيسي ثابت، كما ذكرنا سابقاً، يستخدم محرك (BLDC)، التبديل الإلكتروني، وبالتالي يزيل الفرشاة الممزقة ميكانيكياً.

تركيب محرك (BLDC):

يتمثل الاختلاف الرئيسي في التصميم بين المحركات المصقولة وغير المصقولة في استبدال المبدل الميكانيكي بدائرة تبديل كهربائية، مع وضع ذلك في الاعتبار، فإن محرك (BLDC)، هو نوع من المحركات المتزامنة بمعنى أن المجال المغناطيسي الذي يولده الجزء الثابت والدوار يدوران بنفس التردد.

المحركات بدون فرش متوفرة في ثلاثة تكوينات وهي: مرحلة واحدة، مرحلتين، وثلاث مراحل، من بين هؤلاء، تعد (BLDC) ثلاثية الطور هي الأكثر شيوعاً.

توضح الصورة التالية المقطع العرضي لمحرك (BLDC).

كما هو موضح في الصورة، يتكون محرك (BLDC) من جزأين رئيسيين هما: الجزء الثابت والدوار.

الجزء الثابت:

يشبه هيكل الجزء الثابت لمحرك (BLDC)، هيكل المحرك الحثي، بحيث إنه مصنوع من صفائح فولاذية مكدسة مع فتحات مقطوعة محورياً للملف، يختلف اللف في (BLDC) قليلاً عن المحرك الحثي التقليدي.

بشكل عام، تتكون معظم محركات (BLDC) من ثلاث لفات ثابتة متصلة بنجمة أو بطريقة “Y” (بدون نقطة محايدة)، بالإضافة إلى ذلك، بناءً على التوصيلات البينية للملف، يتم تقسيم لفات الجزء الثابت إلى محركات شبه منحرفة وجيبيه.

في محرك شبه المنحرف، يكون كل من تيار القيادة والجزء الخلفي من (EMF) على شكل شبه منحرف (شكل جيبي في حالة المحركات الجيبيه)، عادةً يتم استخدام محركات 48 فولت (أو أقل) في السيارات والروبوتات (السيارات الهجينة والأذرع الروبوتية).

الجزء الدوار:

يتكون الجزء الدوار من محرك (BLDC) من مغناطيس دائم (عادةً تكون مغناطيسات سبيكة أرضية نادرة مثل النيوديميوم (Nd)، ساماريوم كوبالت (SmCo) وسبائك النيوديميوم، الفريت والبورون (NdFeB).

بناءً على التطبيق، يمكن أن يختلف عدد الأعمدة بين اثنين وثمانية مع وضع الأقطاب الشمالية (N) والجنوبية (S) بالتناوب، تُظهر الصورة التالية ثلاثة ترتيبات مختلفة للأقطاب، في الحالة الأولى، يتم وضع المغناطيس على المحيط الخارجي للعضو الدوار.

التكوين الثاني يسمى الدوار المغنطيسي، حيث يتم تضمين مغناطيس دائم مستطيل الشكل في قلب الدوار، في الحالة الثالثة، يتم إدخال المغناطيسات في القلب الحديدي للعضو الدوار.

مستشعرات المركز (مستشعرات الفوهة):

نظراً لعدم وجود فرش في محرك (BLDC)، يتم التحكم في التبديل إلكترونياً، من أجل تدوير المحرك، يجب تنشيط لفات الجزء الثابت بالتسلسل ويجب أن يكون موضع العضو الدوار (أي القطبين الشمالي والجنوبي للعضو الدوار) معروفاً بتنشيط مجموعة معينة من ملفات الجزء الثابت بدقة.

يستخدم مستشعر المركز، والذي عادة ما يكون مستشعر الفوهة (الذي يعمل على مبدأ تأثير الفوهة)، بشكل عام لاكتشاف موضع الدوار وتحويله إلى إشارة كهربائية، تستخدم معظم محركات (BLDC)، ثلاثة مستشعرات فوهة مدمجة في الجزء الثابت لاستشعار موضع الدوار.

سيكون ناتج مستشعر المركز إما مرتفعاً أو منخفضاً، اعتماداً على ما إذا كان القطب الشمالي أو الجنوبي للدوار يمر بالقرب منه، وذلك من خلال الجمع بين النتائج من أجهزة الاستشعار الثلاثة، يمكن تحديد التسلسل الدقيق للتنشيط.

مبدأ العمل:

نضع في الاعتبار الإعداد التالي لثلاث لفات في الجزء الثابت المعين ( A و B و C)، من أجل الفهم المبدأ، نقوم باستبدال العضو الدوار بمغناطيس واحد.

باستخدام هذا المبدأ، إذا قمنا بتزويد الملف (A) بالتيار الكهربائي بحيث يولد مجالاً مغناطيسياً ويجذب مغناطيس الدوار، سيتحول موضع المغناطيس الدوار قليلاً في اتجاه عقارب الساعة وسيتماشى مع الملف(A).

نعلم أنه عند تطبيق تيار من خلال ملف، يتم إنشاء مجال مغناطيسي ويعتمد اتجاه خطوط المجال، أي أقطاب المغناطيس المتولد على اتجاه التيار المتدفق عبر الملف.

إذا مررنا التيار عبر الملفين (B و C) واحداً تلو الآخر (بهذا الترتيب)، فسوف يدور مغناطيس الدوار في اتجاه عقارب الساعة.

لزيادة الكفاءة، يمكننا لف الملفات المعاكسة باستخدام ملف واحد حتى نحصل على جاذبية مزدوجة، كما يمكننا زيادة الكفاءة من خلال تنشيط ملفين في نفس الوقت بحيث يجذب ملف واحد المغناطيس والملف الآخر سوف يقوم بصده خلال هذا الوقت، سيكون الجزء الثالث خاملاً.

للحصول على دوران كامل بمقدار 3600 لمغناطيس الدوار، يمكن تطبيق ست مجموعات ممكنة من الملفات وهي (A و B و C)، ويتم عرضها في مخطط التوقيت التالي.

استناداً إلى الرسم البياني أعلاه، يمكننا أن نؤكد أنه في أي وقت، تكون إحدى المراحل موجبة، وتكون إحدى المراحل سالبة أيضا، والمرحلة الثالثة خاملة (أو عائمة)، لذلك وبناءً على المدخلات من مستشعرات المركز (الفوهة)، لدينا مرحلتان تبادليتان وفقاً للرسم البياني أعلاه.

قيادة محركات التيار المباشر بدون الفرش:

إذا كان الجزء الثابت والدوار جزءاً أساسياً من محرك (BLDC) الذي يعد جزءاً لا يتجزأ منه، فإن إلكترونيات القيادة ضرورية بنفس القدر، يظهر الرسم التخطيطي للكتلة لنظام تحكم أو محرك نموذجي بدون فرش في الصورة التالية.

غالباً ما تُعرف دائرة محرك الأقراص هذه باسم نظام التحكم الإلكتروني في السرعة أو ببساطة (ESC)، أحد الإعدادات الشائعة يسمى بدائرة القيادة القنطرة، وهو يتألف من وحدة (MCU) مع مخرجات (PWM)، وستة وحدات (MOSFETS)، للمراحل الثلاث لملفات الجزء الثابت، وردود فعاله من مستشعرات القاعة وبعض المكونات المتعلقة بمصدر الطاقة.

يمكن برمجة (MCU)، لتبديل (MOSFETS) بشكل مناسب بناءً على البيانات من مستشعرات القاعة.

مزايا محرك (BLDC):

نظرًا لأن محركات (BLDC) يتم تبديلها إلكترونياً، فهناك العديد من المزايا مقارنة بمحركات التيار المباشر التقليدية، وهي:

• ليس لديه مقدرة ويتمزق، بسبب عدم وجود فرش.
  
• كفاءة عالية.
  
• سرعة أفضل مقابل خصائص عزم الدوران.
  
• عمر افتراضي أطول.
  
• ضوضاء أقل أو تشغيل بلا ضوضاء.
  
• أكثر أمان بشكل ملحوظ.
  

تطبيقات محركات التيار المباشر بدون فرشات:

• تطبيقات أحادية السرعة.
  
• تطبيقات سرعة قابلة للتعديل.
  
• تطبيقات السيطرة على المكان.
  
• تطبيقات منخفضة الضوضاء.
  
• تطبيقات عالية السرعة.