كيفية عمل المحركات التيار المباشر بدون فرش واختبارها

بقلم إمريك جونر

مقدمة:

عند بناء طائرة بدون طيار، تعد الخطوة الأولى من الخطوات اختيار المحرك المناسب. وللحصول على أفضل أداء، من الضروري اختبار عدة محركات واختيار الأكثر كفاءة لتصميمك. تتوفر في الأسواق العديد من المحركات، بما في ذلك أنواع عديدة من المحركات الكهربائية المصممة خصيصًا للاستخدام في تصميم الطائرات بدون طيار. في هذا المقال، سنركز حصريًا على المحركات الكهربائية، وسنتناول المواضيع التالية:

1. كيفية عمل المحركات التيار المباشر بدون فرش
2. محركات إنرونر مقابل محركات أوت‌رونر
3. الكفاءة والأداء
4. اختيار المحرك

ملاحظة: سنستخدم جهاز اختبار قوة الدفع سيريز 1585 لجمع بيانات المحرك والمروحة لهذا المقال.

1. كيف يعمل المحرك التيار المباشر بدون فرش؟

قبل الخوض في مبدأ الآلية عديمة الفرش، دعونا نلقي نظرة أولًا على مكوناتها.

مكونات المحرك التيار المباشر بدون فرش:

المغناطيسات الكهربائية والمغناطيسات الدائمة: 

سلك موصل ملفوف حول قاعدة معدنية لن يعمل كمغناطيس، ولكن عندما يتدفق تيار كهربائي عبر السلك، فإنه سيحفزه ليعمل كمغناطيس. ويُشار إلى هذا عادةً بالمغناطيس الكهربائي. إذا تدفق تيار سالب عبر نفس السلك، فسيكون للمغناطيس الآن تأثير معاكس، إذ سيجذب مغناطيسًا آخرًا بدلًا من دفعه بعيدًا. 

الدوار والثابت: 

الأجزاء الظاهرة في الدائرة الداخلية للشكل 3 هي المغناطيسات الكهربائية، بينما لدينا في الدائرة الخارجية المغناطيسات الدائمة. لتشغيل المحرك، تقوم بتنشيط أحد المغناطيسات الكهربائية عن طريق إرسال تيار كهربائي إلى ملفاته. سيؤدي هذا إلى جعل الدوار يبدأ في الدوران حيث يتعرض المغناطيس الدائم للتنافر من المغناطيس الكهربائي المتماثل ويحاول المحاذاة مع مغناطيس دائم معاكس على الثابت.

سيجعله هذا يدور لفترة قصيرة فقط مع محاذاة المغناطيس الكهربائي والمغناطيس الدائم المعاكس. الخطوة التالية هي تشغيل مغناطيس كهربائي آخر لمنع الدوران من التوقف، يليه المغناطيس الكهربائي التالي، والتالي، وهكذا.

من خلال إرسال تيار ثلاثي الأطوار بتردد معين، سيدور المحرك بسرعة تساوي تردد تلك الإشارة. تُستخدم عتلة التحكم في وحدة تحكم الطائرة بدون طيار لتغيير سرعة المحرك، حيث يرسل إدخال العتلة الأعلى إشارة بتردد أعلى إلى الطائرة بدون طيار. يتحكم وحدة التحكم الإلكترونية في السرعة (ESC) في إرسال الإشارة لضبط سرعة المحرك وفقًا لإدخال العتلة. 

ما هو دور وحدة التحكم الإلكترونية في السرعة (ESC)؟ 

وحدة التحكم الإلكترونية في السرعة (ESC) تتحكم في المحرك الكهربائي عن طريق إرسال إشارات كهربائية يتم ترجمتها إلى تغييرات في السرعة أو حتى عكس الدوران. إنها تستخدم التيار المباشر المقترن بنظام مفاتيح لتحقيق تيار ثلاثي الأطوار متبادل. يمكن بعد ذلك تعديل تيار الإخراج هذا عن طريق تغيير معدل فتح وإغلاق المفاتيح في الدائرة.

تحتاج وحدات ESC عديمة الفرش إلى معلومات حول الموضع الحالي للدوار لتكون قادرة على تشغيل المحرك واختيار اتجاه الدوران. لتحديد موقعه، تستخدم وحدة ESC معلومات من المغناطيس الكهربائي الأخير غير المزود بالطاقة لقياس حثه. يختلف هذا الحث اعتمادًا على مكان أقرب مغناطيس دائم، وكلما كان أقرب إلى المغناطيس الكهربائي، كان المجال المغناطيسي المستحث أقوى.

تُستخدم عتلة التحكم لتغيير سرعة المحرك. للقيام بذلك، يجب على وحدة ESC ضبط تردد التبديل بناءً على إشارة العتلة. هناك عدة بروتوكولات لإرسال الإشارات بأداء مختلف، وأكثرها شيوعًا هي Oneshot وMultishot وDshot.

الفرق بينها هو تردد الإشارات المرسلة. تسمح الترددات الأقصر بوقت رد فعل أسرع. علاوة على ذلك، يختلف بروتوكول Dshot عن البروتوكولين الآخرين لأنه يرسل إشارة رقمية بدلًا من إشارة تماثلية. وهذا يجعل الإشارة أكثر موثوقية لأنها أقل حساسية للضوضاء الكهربائية وأكثر دقة بفضل دقتها العالية.

قراءة إضافية: قائمة مصنعي المحركات التيار المباشر بدون فرش

2. إنرونر أو أوت‌رونر 

المبدأ: 

يتكون كل محرك التيار المباشر بدون فرش من جزأين رئيسيين، ثابت ودوار. الثابت ساكن، لا يتحرك، ويحتوي على المغناطيسات الكهربائية. الدوار هو المكون الدوار الذي يحتوي على المغناطيسات الدائمة. هناك نوعان من محركات التيار المباشر بدون فرش: نماذج إنرونر وأوت‌رونر.

بالنسبة لمحركات إنرونر، يدور الدوار «داخل» الثابت، أو إلى الداخل أكثر بالنسبة إلى غلاف المحرك. تمتلك محركات أوت‌رونر ترتيبًا معاكسًا حيث يدور الدوار «خارج» الثابت أو إلى الخارج أكثر، انظر الشكل 6. كلا النموذجين لهما مميزاته وعيوبه.

عند مقارنة إنرونر وأوت‌رونر بنفس الحجم، من السهل ملاحظة أن القطر الذي تُطبق عليه القوى مختلف. يحدث هذا لأن المغناطيسات الكهربائية تأخذ مساحة أكبر بكثير من الدوار الذي يحمل المغناطيسات الدائمة. إذا كانت المغناطيسات الكهربائية موجودة في الداخل، فإن القطر يكون أكبر مقارنة بوجودها في الخارج (الشكل 6).

بالإضافة إلى الحجم، من المهم أيضًا مراعاة العواقب على أداء المحرك. القطر الأكبر يعني عزمًا أكبر لأن القوة تُطبق بعيدًا عن مركز الدوران، بينما يكون القطر الأصغر أفضل لسرعة الدوران العالية. لذلك تعمل محركات إنرونر بأفضل أداء عند السرعات العالية ولكنها تولد عزمًا أقل، بينما تعمل محركات أوت‌رونر بأفضل أداء مع المراوح الأكبر لأنها يمكن أن تنتج عزمًا أكبر، ولكنها تدور بسرعة أبطأ. 

المحركات التيار المباشر بدون فرش في صناعة الطائرات بدون طيار: 

للأسباب المذكورة أعلاه، غالبًا ما تستخدم طائرات eVTOL محركات أوت‌رونر للدفع الرأسي نظرًا لعزمها العالي. تُستخدم محركات إنرونر بشكل أكثر شيوعًا لمحركات المروحة الموجهة أو الطائرات ذات الأجنحة الثابتة وللحركات الأفقية التي تتطلب سرعة دوران عالية. من السهل فهم ذلك من خلال قيمة Kv للمحرك، والمعروفة أيضًا بقيمة RPM/Volt.

تحدد هذه القيمة السرعة التي سيدور بها المحرك إذا تم إرسال 1 فولت عبره. لذلك، عادةً ما يكون لمحرك إنرونر قيمة Kv أعلى من محرك أوت‌رونر بنفس الحجم لأنه، كما ذكر أعلاه، يحتوي إنرونر على دوار أصغر يدور أسرع لنفس الجهد. غالبًا ما ترى قيمة Kv معروضة أولًا عند تصفح المحركات التيار المباشر بدون فرش.

قراءة إضافية: لماذا يجب عليك اختبار محركات ومراوح طائرتك بدون طيار

3. الكفاءة والأداء

عند الحديث عن أداء الطائرة بدون طيار، غالبًا ما نفكر في وقت الطيران. لسوء الحظ، لا تستطيع أحدث تقنيات البطاريات منافسة محركات البنزين من حيث نسبة الوزن/الطاقة. الحل الوحيد هو اختيار المكونات الكهربائية بعناية التي ستستخدم شحن البطارية بأكثر الطرق كفاءة.

يمكن لعدة عوامل تحسين استهلاك الطاقة للبطارية. أحد هذه العوامل هو كفاءة المحرك. تساعد الكفاءة الأعلى في زيادة نسبة الوزن/الطاقة، وبالتالي الحصول على أداء أعلى من المحرك والطائرة بدون طيار نفسها. اختبار المحرك أمر بالغ الأهمية لمعرفة الفروق بين مواصفات الشركة المصنعة وجودة المحرك. لتوضيح هذه الفكرة، نقدم مقارنة بين محركي BLDC متشابهين بنطاقات أسعار مختلفة.

لمقارنة أداء المحركات، استخدمنا منصة اختبار دفع RCbenchmark سيريز 1580. إنها قادرة على قياس الدفع والعزم والجهد والتيار وسرعة الدوران والكفاءة. يتم جمع البيانات باستخدام برنامج RCbenchmark. المحركان اللذان تم اختبارهما هما T2407s بقيم 1500 Kv و2300 Kv على التوالي. يدور كلا المحركين نفس المروحة مقاس 7 بوصات بـ pitch مقداره 4.

يعرض الرسم البياني الأول في الشكل 7 كفاءة كلا المحركين مقارنة بالعتلة. يوضح الرسم البياني الثاني الكفاءة عند سرعات محددة. من الواضح أن المحرك الأصغر 1500 Kv يتطلب عتلة أكبر للتشغيل بكفاءة. لن يحقق نفس كفاءة محرك 2300 Kv في هذا الإعداد مع نفس المروحة. نطاق الكفاءة أفضل أيضًا في محرك 2300 Kv، مما يعني أن المحرك يحافظ على كفاءة عالية عند السرعة المنخفضة والعليا.

من ناحية أخرى، يمكن للمحرك الأصغر أن يعمل بسرعة أعلى وسيكون على الأرجح أكثر كفاءة مع مروحة أصغر. الطائرة بدون طيار المستخدمة للنقل ستستخدم محركًا أصغر لتكون قادرة على البقاء خاملة ومستقرة عند السرعة المنخفضة.

للحصول على مقارنة كاملة، سنحتاج إلى معرفة الغرض من الطائرة بدون طيار وسرعة الدوران التي ستعمل عليها. من الممكن أن يكون محرك 1500 Kv أكثر كفاءة مع مروحة مختلفة مناسبة لوظيفة مختلفة. من خلال الاختبار فقط يمكننا معرفة ذلك.

4. اختيار المحرك 

أخيرًا، دعونا نتحدث عما يجب البحث عنه عند اختيار المحرك. السمة الأهم هي Kv المحرك، والتي تصف سرعة الدوران التي تحصل عليها مقابل الطاقة المدخلة إلى المحرك. المحرك بقيمة 2000 Kv سيدور بسرعة 2000 دورة في الدقيقة لكل فولت يتم إرساله إلى المحرك.

الحجم مرتبط ارتباطًا وثيقًا بـ Kv. المحرك العريض والكبير غالبًا ما يكون له عزم أعلى وKv أقل ويستخدم مروحة أكبر، بينما المحرك النحيف ولكن الأطول سيكون له Kv عالي وعزم منخفض وسيكون مناسبًا بشكل أفضل لمروحة صغيرة. هذا منطقي عندما تفكر في أن المحرك الأكبر يعمل بسرعة دوران أقل بينما المحرك الصغير يعمل بسرعة دوران عالية نسبيًا.

القدرة القصوى للمحرك هي أيضًا شيء يجب أخذه في الاعتبار. تجاوز حد قدرة المحرك سيؤدي إلى ارتفاع حرارة المحرك وبالتالي خفض كفاءته بشكل كبير أو حتى إتلافه. يمكن للعلامة التجارية أيضًا أن تغير أداء المحرك. لنفس قيمة Kv، قد يؤدي محرك من علامة تجارية واحدة أداءً أفضل من غيره. لهذا السبب يجب عليك اختبار محركك قبل بناء طائرة بدون طيار حوله.

قراءة إضافية: كيفية حساب Kv المحرك التيار المباشر بدون فرش وأقطاب المحرك

كقاعدة عامة، من الحكمة استخدام أصغر (أخف) محرك ممكن دون أن تكون في خطر إجهاده وإتلافه بالحرارة. السبب في ذلك هو تقليل الوزن الزائد لمحرك أكبر من اللازم. لقد قمنا بتجميع قائمة بمصنعي المحركات الكبيرة مع منتجات مناسبة لعمليات الرفع الثقيل والطائرات بدون طيار المأهولة.

الخلاصة