ما هو المحرك التيار المباشر بدون فرش؟

بواسطة لورين ناجل

يبدو أن المحركات التيار المباشر بدون فرش موجودة في كل مكان - الأجهزة، والمركبات، والأدوات، والمزيد. ولكن ما هو المحرك التيار المباشر بدون فرش وما الذي يجعله مختلفًا عن المحرك ذي الفرش؟

المحرك التيار المباشر بدون فرش يعني نفس الشيء الذي يعنيه محرك BLDC. الصيغة الكاملة لمحرك BLDC هي محرك التيار المباشر بدون فرش.

في هذا المقال سنجيب عن جميع الأسئلة الأساسية المتعلقة بهذا النوع متعدد الاستخدامات من المحركات.

جدول المحتويات

1. ما هو المحرك التيار المباشر بدون فرش؟
2. تاريخ المحركات التيار المباشر بدون فرش
3. آلية عمل المحرك التيار المباشر بدون فرش
4. مخطط المحرك التيار المباشر بدون فرش
1. رسوم متحركة للمحرك التيار المباشر بدون فرش
5. المحرك ذو الفرش مقابل المحرك التيار المباشر بدون فرش
6. مزايا المحرك التيار المباشر بدون فرش
7. تطبيقات محرك التيار المباشر بدون فرش
8. المحركات التيار المباشر بدون فرش للطائرات المسيّرة

ما هو المحرك التيار المباشر بدون فرش؟

المحرك التيار المباشر بدون فرش من نوع التيار المستمر (BLDC) هو نوع من المحركات الكهربائية التي تعتمد على قوى التنافر والتجاذب بين المغناطيسات الدائمة والمغناطيسات الكهربائية لدفع دورانه. يرمز BLDC إلى «التيار المستمر عديم الفرش»، وهو ما يصف تقريبًا كيفية عمل المحرك.

يتم التحكم في دوران المحرك بواسطة وحدة تحكم ترسل نبضات متزامنة من التيار إلى المغناطيسات الكهربائية في المحرك، والتي تتحكم بدورها في سرعته. 

في الشكل 1، يمكنك رؤية المغناطيسات الدائمة على الدوار باللونين الأحمر والأزرق والملفات الكهرومغناطيسية على العضو الثابت باللون النحاسي.

الشكل 1: مخطط محرك التيار المباشر بدون فرش

المحركات التيار المباشر بدون فرش معروفة بكفاءتها العالية وعمرها التشغيلي الطويل مقارنة بالبدائل. هناك عدة طرق شائعة لوصف هذا النوع من المحركات، بما في ذلك المحركات التيار المباشر بدون فرش، ومحركات التيار المباشر بدون فرش، ومحركات BLDC.

تاريخ المحركات التيار المباشر بدون فرش

تم اختراع محركات التيار المباشر بدون فرش في عام 1962 من قبل تي جي ويلسون وبي إتش تريكي، وقُدمت في ورقتهم البحثية المنشورة في AIEE بعنوان «آلة التيار المستمر مع تبديل بالحالة الصلبة».

من خلال الورقة، حددوا المشاكل التي أرادوا حلها والحلول التي توصلوا إليها. وفي قسمهم المتعلق بالاعتبارات الأساسية، حددوا تحديات التصميم التي كان عليهم التغلب عليها لبناء محرك التيار المباشر بدون فرش وظيفي:

«نظرًا إلى أن التبديل المطلوب لموصلات العضو الدوّار يجب أن يتم باستخدام عناصر ثابتة، فمن المرغوب فيه ألا تدور عناصر التبديل نفسها. ويمكن تحقيق ذلك بوضع ملفات العضو الدوّار على العضو الثابت وجعل أقطاب المجال تدور. إن استخدام مغناطيس دائم لعنصر المجال يلغي الحاجة إلى تزويد العضو الدوّار بالطاقة إما من خلال الفرش أو من خلال عمل المحول [...] يجب أيضًا جعل محور المجال المغناطيسي الناتج عن تيار العضو الدوّار يدور، وبسرعة مطابقة تمامًا لسرعة العضو الدوّار. وتحقيقًا لهذه الغاية، يجب نقل المعلومات المتعلقة بالموضع الزاوي لأقطاب العضو الدوّار باستمرار إلى العضو الثابت حتى يتم التبديل الصحيح تمامًا لموصلات العضو الدوّار».

في فقرتهم الختامية، حددوا بعض الطرق التي يتوقعون أن يوفر فيها اختراعهم ميزة على المحركات ذات الفرش. وقد تبين أن التحسينات التي اقترحوها دقيقة للغاية: 

«من المفترض أن يقضي عمليًا على التداخل اللاسلكي بالمعنى التقليدي، وكذلك التآكل والصيانة التي تواجهها الفرش والمبدلات حاليًا. ويجب أن تتمتع الآلة بموثوقية عالية للغاية وعمر طويل.»

المنافس الرئيسي للمحركات التيار المباشر بدون فرش، وهو المحرك ذو الفرش، تم اختراعه قبل أكثر من 100 عام في عام 1856. وبينما تم إحراز تقدمات أخرى منذ ذلك الحين، فقد كان هذا التغيير التكنولوجي الكبير متأخرًا جدًا.

آلية عمل المحرك التيار المباشر بدون فرش

يعتمد المحرك التيار المباشر بدون فرش على جزأين رئيسيين من أجل العمل: 1) العضو الدوّار الذي يحمل مغناطيسات دائمة، 2) العضو الثابت الذي يحمل ملفات نحاسية تصبح مغناطيسات كهربائية عند إرسال تيار من خلالها. 

قد تكون المحركات التيار المباشر بدون فرش من نوع inrunner، حيث يقع العضو الثابت في الخارج ويدور العضو الدوّار في الداخل، أو يمكن أن تكون من نوع outrunner، حيث يدور العضو الدوّار خارج العضو الثابت.

لمزيد من الشرح المفصل لآلية عمل المحرك التيار المباشر بدون فرش، اطّلع على مقالنا حول كيفية عمل المحركات التيار المباشر بدون فرش.

الشكل 2: محرك inrunner (يسار) ومحرك outrunner (يمين)

عند إرسال تيار إلى ملف في العضو الثابت، فإنه يصبح مغناطيسًا كهربائيًا ويطور قطبًا شماليًا وجنوبيًا. عندما تتطابق قطبية المغناطيس الكهربائي مع قطبية المغناطيس الدائم الذي يواجهه، تتنافر أقطابهما المتماثلة ويدور العضو الدوّار.

إذا حافظ التيار على هذا التكوين، فسيدور العضو الدوّار لفترة وجيزة ثم يتوقف بمجرد محاذاة المغناطيسات الكهربائية والمغناطيسات الدائمة المتقابلة. لهذا السبب، يتم إرسال التيار كإشارة ثلاثية الأطوار بطريقة تغير باستمرار قطبية المغناطيسات الكهربائية حتى يستمر العضو الدوّار في الدوران.

يدور المحرك بسرعة تساوي تردد الإشارة ثلاثية الأطوار، لذا إذا كنت تريد أن يدور المحرك أسرع، فإنك تزيد تردد الإشارة. في المركبة التي يتم التحكم فيها عن بعد، يتم زيادة السرعة عن طريق زيادة دواسة الوقود، والتي تخبر وحدة التحكم بزيادة تردد التبديل.

من أجل معرفة كيفية ومتى يتم تنشيط الملفات، يستخدم المحرك مستشعرات تأثير هول لتحديد الموضع النسبي للعضو الدوّار والعضو الثابت. بهذه الطريقة، يتم تنشيط المغناطيسات الكهربائية في العضو الثابت بالترتيب الصحيح وفي الوقت المناسب، ويستمر المحرك في الحركة.

مخطط المحرك التيار المباشر بدون فرش

يمكن توضيح آلية عمل المحرك التيار المباشر بدون فرش بسهولة أكبر باستخدام مخطط / رسوم متحركة، والتي يمكنك رؤيتها أدناه.

الشكل 3: رسوم متحركة للمحرك التيار المباشر بدون فرش

قد تكون المحركات التيار المباشر بدون فرش من نوع inrunner أو outrunner. المحرك الموجود في المخطط أعلاه هو من نوع outrunner لأن عضوه الدوّار الذي يحتوي على المغناطيسات الدائمة يقع خارج العضو الثابت. يُطلق على كل مغناطيس دائم أيضًا اسم «قطب» ويمكن أن يؤثر عدد أقطاب المحرك على أدائه.

تتنافر المغناطيسات الدائمة بواسطة المغناطيسات الكهربائية أثناء محاذاتها، مما يدفع العضو الدوّار حول دائرة بينما يظل العضو الثابت ثابتًا، في هذه الحالة عكس اتجاه عقارب الساعة (الشكل 3).

وحدة تحكم المحرك الموجودة على اليمين، والتي تُسمى أيضًا وحدة التحكم الإلكترونية في السرعة (ESC)، متصلة بمصدر الطاقة أو البطارية من جانب والمحرك من الجانب الآخر. يمكن توصيلها مباشرة بجهاز إدخال دواسة الوقود أو عن بعد مثلًا من خلال إشارة لاسلكية. تأخذ وحدة ESC تردد إشارة دواسة الوقود من وحدة التحكم وتخبر المحرك بالسرعة التي يجب أن يدور بها عن طريق ضبط تردد التبديل الخاص بها.

مزيد من القراءة: كيفية التحكم في سرعة المحرك الكهربائي

المحرك ذو الفرش مقابل المحرك التيار المباشر بدون فرش

المحركات ذات الفرش هي نوع آخر من المحركات الكهربائية التي تعتمد على مفهوم المغناطيسية لدفع دورانها.

الاختلافات الرئيسية بين المحركات ذات الفرش والمحركات التيار المباشر بدون فرش هي آليتها وكفاءتها وعمرها التشغيلي. يتم تلخيص الاختلافات في هذا الجدول، ثم التوسع فيها أدناه. 

	المحرك ذو الفرش	المحرك التيار المباشر بدون فرش
التبديل	ميكانيكي	كهربائي
الكفاءة*	أقل (75-80% نموذجيًا)	أعلى (85-92%+ نموذجيًا)
الحرارة	أعلى (20-25% من طاقة الإدخال)	أقل (8-15% من طاقة الإدخال)
التكلفة الأولية	أقل	أعلى
متطلبات الصيانة	أعلى	أقل
التحكم في سرعة المحرك	بسيط	أكثر تعقيدًا
العمر الافتراضي	أقل	أعلى
الضوضاء الكهربائية	أعلى	أقل
سلامة الإشعال	جيدة	جيدة جدًا
التحكم في السرعة المنخفضة	جيد	جيد
السرعة القصوى	~20,000 دورة في الدقيقة	>100,000 دورة في الدقيقة
نسبة العزم إلى الوزن	أقل	أعلى

* أي محرك يعمل خارج نطاق عزم السرعة الفعال له سيكون ذا كفاءة منخفضة (<50%) وإنتاج حرارة عالٍ.

التبديل: في المحرك ذي الفرش، يتم نقل التيار من المبدل إلى ملفات المحرك من خلال التلامس المادي مع الفرش. في المحرك التيار المباشر بدون فرش، يتم التحكم في التيار كهربائيًا من خلال تشغيل وإيقاف ملفات العضو الثابت عبر مفاتيح أشباه الموصلات.

الكفاءة: توفر المحركات التيار المباشر بدون فرش قدرًا أعلى من العزم لكل واط من الطاقة المستهلكة مقارنة بالمحركات ذات الفرش، مما يجعلها أكثر كفاءة.

التكلفة الأولية: المحركات التيار المباشر بدون فرش بشكل عام أغلى من المحركات ذات الفرش من نفس الحجم بسبب التعقيد المتزايد لوحدات التحكم الخاصة بها.

متطلبات الصيانة: تميل المحركات ذات الفرش إلى التآكل بسرعة حيث يلتقي المبدل بالفرش، وبالتالي تتطلب المكونات استبدالًا أكثر تكرارًا. لا تحتوي المحركات التيار المباشر بدون فرش على أي مكونات تتعرض للتآكل إلى نفس الحد، لذا فإن الصيانة / الاستبدال مطلوبة بشكل أقل تكرارًا.

تعقيد التحكم في سرعة المحرك: في المحرك ذي الفرش، يتم التحكم في سرعة المحرك ببساطة بواسطة الجهد المطبق عليه. في المحرك التيار المباشر بدون فرش، تستخدم وحدة تحكم المحرك إشارة ثلاثية الأطوار للتحكم في سرعة الدوران، وبالتالي فإن إرسال الإشارة أكثر تعقيدًا.

العمر الافتراضي: تتمتع المحركات التيار المباشر بدون فرش بعمر افتراضي أطول مقارنة بالمحركات ذات الفرش لأنها لا تتعرض إلى نفس التآكل والتآكل بين المكونات. ومع ذلك، يمكن أحيانًا إعادة بناء المحركات ذات الفرش لإطالة عمرها التشغيلي.

الضوضاء الكهربائية: بالإضافة إلى الضوضاء الصوتية الناتجة عن المحركات، يمكنها أيضًا إنتاج ضوضاء كهربائية يمكن أن تتداخل مع المكونات الأخرى للنظام. تميل المحركات ذات الفرش إلى إنتاج ضوضاء كهربائية أكثر من المحركات التيار المباشر بدون فرش، والتي يمكن أن تسبب تداخلًا كهرومغناطيسيًا مع الدوائر المحلية. بدون عزل مناسب، يمكن أن يتسبب هذا التداخل في خلل في الدائرة وانخفاض الأداء.

سلامة الإشعال: من المحركات التيار المباشر بدون فرش أقل احتمالًا بكثير لإنتاج شرارات يمكن أن تشعل المواد القابلة للاشتعال.

التحكم في السرعة المنخفضة: تتميز المحركات ذات الفرش بنظام تحكم بسيط يعمل بشكل جيد عند السرعات المنخفضة. عند الجمع مع المشفرات الزاوية والإلكترونيات التحكمية، يمكن للمحركات التيار المباشر بدون فرش أيضًا أن تدور بسرعات منخفضة جدًا. وهذا مثالي لتطبيقات مثل لوحات التوازن، أو محركات السيرفو عالية القدرة. تقدم ODrives وحدة تحكم مفتوحة المصدر لمثل هذه التطبيقات.

السرعة القصوى: نظرًا إلى الاحتكاك المتأصل في تصميم المحرك ذي الفرش، فهي غير مناسبة للاستخدام عند دورات في الدقيقة عالية. تميل الفرش في المحرك إلى السخونة مع زيادة السرعة، مما يؤدي إلى زيادة التآكل وحالة درجة حرارة عالية. من ناحية أخرى، لا تواجه المحركات التيار المباشر بدون فرش هذه المشكلة بسبب عدم وجود فرش، لذا يمكن تشغيلها عند دورات في الدقيقة عالية جدًا.

نسبة العزم إلى الوزن: بينما يمكن للمحركات ذات الفرش إنتاج كميات كبيرة من العزم، خاصة عند السرعات المنخفضة، فإن المحركات التيار المباشر بدون فرش التي تنتج كمية مماثلة من العزم أصغر بكثير، مما يمنحها ميزة في نسبة العزم : الوزن الخاصة بها.

مزايا المحرك التيار المباشر بدون فرش

يناقش القسم السابق الاختلافات المهمة بين المحركات ذات الفرش والمحركات التيار المباشر بدون فرش، ولكن السؤال يظل، هل المحركات التيار المباشر بدون فرش أفضل بطبيعتها؟

كما هو الحال مع العديد من الأسئلة الهندسية، يعود القرار إلى كيفية تخطيطك لاستخدام المحرك. نحن نعلم أن المحركات ذات الفرش ليست مثالية لتطبيقات دورات في الدقيقة العالية، لذا فإن المحركات التيار المباشر بدون فرش ستتفوق في تلك المجالات. كما أن الكفاءة المنخفضة وتكلفة الصيانة العالية للمحركات ذات الفرش تجعلها أقل جاذبية لبعض الاستخدامات.

ومع ذلك، تتميز المحركات ذات الفرش بتكلفة أولية أقل، وتحكم بسيط في السرعة، وتنتج حركة سلسة وعالية العزم عند السرعات المنخفضة. كما أن لديها علاقة خطية بين العزم والسرعة، مما يجعل التحكم فيها أسهل. على الرغم من أنها تتآكل بمرور الوقت، فإن تلك الخصائص الأخرى تجعلها الخيار المثالي لأجهزة معينة مثل المعدات الصناعية منخفضة السرعة، والخلاطات، ومساحات الزجاج الأمامي، والمعدات الطبية المحمولة.

الشكل 4: محركات ذات فرش في مساحات الزجاج الأمامي

من ناحية أخرى، تميل المحركات التيار المباشر بدون فرش إلى التألق في المجالات التي تتطلب دورات في الدقيقة عالية، مثل المناشير، والمراوح، والمراوح النفاثة. كما أن لديها ميزة في نسبة العزم : الوزن الخاصة بها، وهو أمر مهم للاستخدام في مركبات معينة مثل الطائرات المسيّرة والطائرات الكهربائية وكذلك في المجالات التي تتطلب محركًا صغيرًا ولكنه قوي، مثل الروبوتات الدقيقة.

تُعد محركات التيار المباشر بدون فرشاة أيضًا خيارًا مفضلاً للتطبيقات التي يُتوقع فيها الاستخدام المكثف وتتطلب كفاءة عالية، مثل الأدوات اللاسلكية، ومركبات التحكم عن بعد، وأنظمة التدفئة والتبريد، والهندسة الصناعية. ومن الأمثلة على ذلك استخدامها في أنظمة الكشف وتحديد المدى بالليزر (LiDAR)، التي تُستخدم في أنظمة الملاحة وتحديد المواقع الخاصة بالروبوتات، مثل السيارات ذاتية القيادة والطائرات المسيّرة للمراقبة.

الشكل 5: نظام RPLiDAR المستخدم في تطبيقات الملاحة الخاصة بالروبوتات

تطبيقات محركات التيار المباشر بدون فرشاة

دعونا نتعمق قليلًا في بعض تطبيقات المحركات التيار المباشر بدون فرشاة.

الهندسة الصناعية: تُستخدم المحركات التيار المباشر بدون فرشاة في العديد من عمليات الهندسة الصناعية بفضل عزمها العالي وطول عمرها. وقد تراها مستخدمة في آلات التحكم الرقمي بالحاسوب (CNC)، والمحركات الخطية، والمحركات المؤازرة. كما تُستخدم كمشغلات للتحكم في حركات الروبوتات الصناعية لأداء مهام مثل الطلاء وتجميع المنتجات وحتى اللحام، كما هو الحال في منشأة تاتا ستيل في المملكة المتحدة (الشكل 6).

في المنزل: بفضل وزنها الخفيف وكفاءتها العالية، تُعد المحركات التيار المباشر بدون فرشاة خيارًا ممتازًا للعديد من الأجهزة المنزلية. وتوجد في كل غرفة تقريبًا من غرف المنزل في أجهزة مثل المكانس الكهربائية، وآلات صنع القهوة، ومجففات الشعر، ومحركات الأقراص الصلبة، والطابعات، وغيرها. ونظرًا إلى أن العديد من هذه الأجهزة يُنتج بكميات كبيرة جدًا، فمن المهم أن تكون عالية الجودة والموثوقية لتجنب التعامل مع إرجاع المنتجات من قبل العملاء وإجراء الصيانة.

الأدوات الكهربائية اللاسلكية: بما أن المحركات التيار المباشر بدون فرشاة يمكن أن تعمل ببطاريات قابلة لإعادة الشحن، فهي مثالية للتطبيقات اللاسلكية التي تتطلب وزنًا أدنى وسرعة دورانية عالية. أصبحت المثاقب اللاسلكية متاحة منذ نحو عقد من الزمان، لكنها تمثل الآن ما يصل إلى 50% من الطرازات المتاحة. وهذا أحد المجالات التي لا تزال فيها المحركات التيار المباشر بدون فرشاة تتنافس مع المحركات ذات الفرشاة، لذا فإن السعر وتكرار الاستخدام من العوامل الرئيسية عند تحديد الطراز المناسب.

سيارات التحكم عن بعد: يمكن أن تدور المحركات التيار المباشر بدون فرشاة بسرعات دورانية عالية جدًا وتوفر دفعات من السرعة بسرعة، لذا فهي رائعة للاستخدام في مركبات التحكم عن بعد. وتختلف خصائص محرك التحكم عن بعد، مثل قيمة Kv للمحرك وحجمه وتصنيفه للطاقة، بناءً على الطراز. وقد تحتوي سيارات التحكم عن بعد أيضًا على محركات نيترو، والتي توفر وقت تشغيل أطول، ولكنها تأتي مع تعقيدات شراء الوقود وإعادة تزويد المركبة به. وتميل المحركات التيار المباشر بدون فرشاة إلى التفوق على محركات النيترو في التسارع، لذا فهي بشكل عام أفضل للسباقات.

الشكل 7: سيارة تحكم عن بعد مونستر تراك للطرق الوعرة تعمل بمحرك التيار المباشر بدون فرشاة

المحركات التيار المباشر بدون فرشاة للطائرات المسيّرة

تجعل الخصائص المشتركة للمحركات التيار المباشر بدون فرشاة استخدامها مثاليًا في الطائرات المسيّرة. فهي خفيفة الوزن وعالية الكفاءة، ولديها نطاق سرعة واسع وقدرات عزم دوران عالية، وكلها صفات مفيدة للمركبات الجوية غير المأهولة.

تُعد المحركات التيار المباشر بدون فرشاة للطائرات المسيّرة للهواة رخيصة نسبيًا، مما يسمح لمصنّعي الطائرات المسيّرة بتجربة طرازات مختلفة لتحديد أي منها هو الأكثر كفاءة. ونادرًا ما تكون الصيانة مطلوبة بفضل موثوقيتها العالية، وغالبًا ما يكون استبدال المحرك أقل تكلفة من إصلاحه.

بالنسبة للطائرات المسيّرة التجارية الأكبر والطائرات المسيّرة المأهولة، يتم تطوير محركات التيار المباشر بدون فرشاة أكبر باستمرار لتلبية المتطلبات المتعلقة بالقوة وعزم الدوران والدفع الأكبر. وتساهم هذه المحركات في الثورة الكهربائية التي تشهدها صناعة النقل، والتي تشمل تحويل الطرازات الحالية للطائرات إلى الكهرباء وتصميم طائرات eVTOL جديدة.

هناك العديد من أنواع الطائرات المسيّرة التي تتفاوت في الحجم والأسلوب ومصدر الطاقة والوظيفة. وتُعد المحركات التيار المباشر بدون فرشاة مناسبة للعديد من التطبيقات، على الرغم من استخدام المحركات التي تعمل بالوقود والمحركات الهجينة أيضًا.

لمزيد من المعلومات حول كيفية اختيار محرك التيار المباشر بدون فرشاة لطائرتك المسيّرة، اطّلع على كتابنا الإلكتروني المجاني حول بناء الطائرات المسيّرة وتحسينها.

الخلاصة

يمكن العثور على المحركات التيار المباشر بدون فرشاة في كل مجالات حياتنا تقريبًا، وهي تكتسب شعبية متزايدة. فمن المنزل إلى البيئات الصناعية، تبهرنا هذه المحركات بصغر حجمها وكفاءتها وموثوقيتها. 

يتطلب فهم هذه الآلات الرائعة بعض الخلفية المعرفية حول الكهرومغناطيسية والهندسة الكهربائية، وهي مفاهيم تناولناها هنا. 

إذا كانت لديك أي أسئلة متبقية، فلا تتردد في ترك تعليق لنا أدناه، أو اطّلع على المقالات الأخرى في مركز المعرفة لدينا.